Research Day 2015 Stadt der Zukunft - Beuth Hochschule€¦ · Einreichungen Beiträge für den Research Day als Vortrag, Poster und für diesen Tagungsband ausgewählt. Ich wünsche

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Research Day 2015 Stadt der ZukunftTagungsband – 21.04.2015

mbvMensch und Buch Verlag ISBN: 978-3-86387-595-4

RESEARCH DAY 2015 – STADT DER ZUKUNFT2

INHALT

Vorwort .......................................................................................................................................... 7

Gastbeitrag: Die Digitalisierung der Stadt ..................................................................................... 8

Agenda .......................................................................................................................................... 10

Posterflash .................................................................................................................................... 12

Impressionen ................................................................................................................................ 14

Partner .......................................................................................................................................... 15

LIFE SCIENCE .............................................................................................................17

Qualitätssicherung in der Pharma- und Lebensmittelindustrie durch den Einsatz optimierter Bioindikatoren und die Lokalisation von Biofilmen in Rohrleitungssystemen ............................ 18Dipl.-Ing. Andreas Albin, M.Sc.; Prof. Dr. Dipl.-Ing. Ulf Stahl; Andreas Ziegler, M.Sc.; Prof. Dr.-Ing. Matthias Rädle; Prof. Dr.-Ing. Johannes Bader

Entwicklung und Integration von Verfahren zum automatisierten, computergestützten Qualitätsmanagement von retinalen OCT-Aufnahmen ................................................................ 22Prof. Dr. Ingeborg Beckers; Maximilian Beier; Alexander Brandt; Prof. Dr. Frank Hausser; Christoph. Jansen; Prof. Dr. Dagmar Krefting; Tim Oberwahrenbrook; Frank Roos; Philipp Steyer

Resveratrol-Liposomen verkürzen die chronologische Lebensdauer von S.pombe und HeLa-Zellen .......................................................................................................................... 28Dr. Susanne Probst; Lihong Tong; Yvonne Ibold; Tabea Füllborn; Wiebke Frank; Nadja Strahl; Kristina Wiltner; Prof. Dr. Mont Kumpugdee-Vollrath; Prof. Dr. Jacqueline Franke

Biosynthese von Grundchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen – Biosynthesis of base chemicals from renewable resources ........................................................ 34Prof. Dr.-Ing. Peter Götz; Dr. Katja Karstens; Dipl.-Ing. Sergej Trippel; Prof. Dr. Antonio Marzocchella

N-glycosylation profile of the soluble F protein from respiratory syncytial virus expressed in different cell lines .................................................................................................................... 40Dr. Grit Sandig; Prof. Dr. Hans Henning von Horsten; Dr. Veronique Blanchard; Lars Radtke, M.Sc.; Prof. Dr. Marcus Frohme; Dr. Volker Sandig; Prof. Dr. Stephan Hinderlich

Investigation of a novel human cell line for recombinant glycoprotein expression ................... 44Julia Rosenlöcher, M.Sc.; Constanze Weilandt, B.Sc.; Marion Bayer; Dr. Véronique Blanchard; Dr. Stefan O. Reinke; Prof. Dr. Stephan Hinderlich

Theatrale Orte in Berlin: ephemere Architektur – transitorische Räume – kulturelle Werkzeuge ................................................................................................................... 49Prof. Dr.-Ing. Bri Newesely

Inhalt

TAGUNGSBAND – 21.04.2015 3

INHALT

Spritzgießen optischer Bauteile aus Cyloolefinpolymeren und -copolymeren ............................ 54Prof. Dr.-Ing. Jörg Schmütz; Burak Sivri, B.Eng.; Tobias Jakob, B.Eng.

Verbesserung der Wäschepflege mit Hilfe von Häufigkeitsanalysen........................................... 60Prof.-Dr.-Ing. Joachim Villwock; Katharina Ellmer, M.Sc.; Christian Oertel, M.Eng.; Tobias Morgenthal, M.Eng.

Near Infrared Spectroscopy for pharmaceutical applications ...................................................... 65Dr. Usawadee Sakulkhu; Mario Helmis, M.Sc.; Agnes Buczkowski, M.Sc.; Prof. Dr. Mont Kumpugdee-Vollrath

MEDIEN- & KOMMUNIKATIONSTECHNOLOGIEN ........................................................ 79

Towards a Taxonomy for Error Management in Big Data Analytics Systems .............................. 80Eduard Bergen, M.Sc.; Prof. Dr. Stefan Edlich

Logik zur Simulation von Laborversuchen für eine Game Based Learning Anwendung ............ 84Prof. Dr. Felix Alexander Gers; Prof. Dr. Steffen Prowe

Multi-Touch-Displays und Smartphones im Rettungseinsatz bei Großveranstaltungen .............. 88Mark Gebler, M.Sc.; Prof. Dr. Gudrun Görlitz

Sensor-basierte Erkennung von Kopf- und Körpergesten ........................................................... 93Josef Rossa, M.Sc.; Prof. Dr. Christian Herta; Prof. Dr.-Ing. Thomas Schwotzer

Green IT – Innovative Kühlung von Rechenzentren mittels Adsorptionskälteanlagen ................ 98Prof. Dr.-Ing. Paul Kohlenbach; Frederik Frövel, M.Eng.; Robert Vieweg, M.Eng.

Multi-Channel-Beiträge für interaktive Kommunikation und Wissenstransfer ............................ 104Prof. Dr. phil. Jürgen Lohr; Tim Gehrmann, B.Eng.; Sebastian Riedel, M.Sc.

„Smart Learning“ für die handwerkliche Weiterbildung ............................................................. 110Prof. Dr. Agathe Merceron; Dr.-Ing. Jost-Peter Kania; Christopher Sidney Krauss, M.Sc.; Dr. Michael Scharp; Miggi Zwicklbauer, M.Sc.

Virtuelle Mikrofone: Empfangen von Audioschall mittels Ultraschall ...................................... 115Dipl.-Ing. Tom Ritter; Prof. Dr.-Ing. Tobias Merkel; Prof. Dr.-Ing. Marcus Purat

Freistrahloptische Kommunikation, Free Space Optical Communication (FSO).......................... 120Prof. Dr.-Ing. Michael Rohde; Dr.-Ing. Nicolas Perlot

Taking a closer look at user-technology relationships: a network model ................................. 125Dr. Maxine Saborowski; Claudia Nuss, Prof. Dr. Ingrid Kollak

Spielplätze in Berlin-Pankow. GIS-Analyse der fußläufigen Erreichbarkeit ................................ 130Merle Rossner; Jennifer Ilius; Prof. Dr. Jürgen Schweikart

Cross-Channel & Cross-Media Plattform für Hochschulen .......................................................... 135Prof. Dr. Robert Strzebkowski; Sven Spielvogel, M.Sc.


URBANE TECHNOLOGIEN .........................................................................................149

BioClime-Projekt: Nachhaltigkeit und Energieeffizienz in Sonderanlagen / Teilaspekt Bauepochen in deutschen Zoos ................................................................................ 150Prof. Dipl.-Ing. Katja Biek; Dipl.-Ing. Arch. Helena Broad; Doan Manh Trung, B.A.

SysEff-Projekt: Nachhaltigkeit und Energieeffizienz in Sonderanlagen – Teilaspekte: Wärmeverbrauchsanalyse und Wasseraufbereitung ............................................... 155Prof. Dipl.-Ing. Katja Biek; Dipl.-Ing. Erik Thrun; Dipl.-Ing. Grzegorz Cholda; Stefan Gräser

BioClime-Projekt: Nachhaltigkeit und Energieeffizienz in Sonderanlagen / Teilaspekt: Energetische Analyse – Tageslicht ............................................................................ 160Prof. Dipl.-Ing. Katja Biek; Nora Exner, M.Sc.; Tino Brüllke, B.A.

Steigerung von Effizienz und Agilität durch neue Technologien in der Entsorgungslogistik urbaner Räume ........................................................................................... 165Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Butz; Burcu Ergün; Dr.-Ing. Claudia Nagel

HeatMap – Visualisierung von Heizenergieverschwendungen in öffentlichen Gebäuden durch eine HeatMap ................................................................................................................... 171Prof. Dr. rer. nat. Dipl.-Ing. Mathias Fraaß; Prof. Dr.-Ing. habil. Birgit Müller; Prof. Dr.-Ing. Joachim Rauchfuss; Maxim Geier, M. Eng., Dipl.-Ing.; Narcisse Djakam; Peter Rothmeier; Jens Freinatis

HeatMap – Visualisierung von Heizenergieverschwendungen in öffentlichen Gebäuden durch eine HeatMap, Untersuchungsbereich: Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin .............. 176Prof. Dr. rer. nat. Dipl.-Ing. Mathias Fraaß; Prof. Dr.-Ing. habil. Birgit Müller; Prof. Dr.-Ing. Olaf Zeidler; Prof. Dr.-Ing. Joachim Rauchfuss; Maxim Geier, M.Eng.; Dipl.-Ing. Narcisse Djakam; Peter Rothmeier; Jens Freinatis

Experimentelle und numerische Untersuchung der Fluid-Struktur-Interaktion flexibler Tragflügelprofile ............................................................................................................ 180Matthias Voß, M.Eng.; Prof. Dr.-Ing. Hans-Dieter Kleinschrodt; Dipl.-Ing. Michael Dienst

FEEL – Schließung der Energieeffizienzlücken von Gebäuden mittels Cockpitsteuerung .......... 185Ass. jur. Dipl.-Soz. päd. Volker Bargfrede; Lea Elfert, B.sc. cand.; Prof. Dipl.-Kfm. Kai Kummert; Dipl.-Phys. Frank Scheffler

Adaptives Heizungssystem ......................................................................................................... 188Prof. Dr.-Ing. Huu-Thoi Le; Raimo Kuntsche, M.Sc.; Jack Polowczyk, M.Eng.

Bewertung der Nachhaltigkeit von Baustoffen ........................................................................... 191Dr. Arch. Silvia de Lima; Prof. Dr.-Ing. habil. Birgit Müller; Prof. Dr.-Ing. Olaf Zeidler; Prof. Dr. Arch. Carlos Alho

Mathematische Modelle der anomalen Grundwasserdiffusion ................................................... 196Prof. Dr. Yuri Luchko


Konzepte der messtechnischen Erkennung sicherheitsrelevanter Defekte an Fundamenten von Windenergieanlagen .....................................................................................201Prof. Dr. Boris Resnik; Prof. Dr. Tilman Schlenzka; Norbert Schiefelbein; Prof. Dr. Dirk Werner

Anwendungserfahrungen und Zukunftsperspektiven des Geodateneinsatzes im Facility Management des Botanischen Gartens Berlin............................................................... 206Prof. Dr. Petra Sauer; Prof. Dr.-Ing. Markus Krämer

Urbane Komplexität verstehen – Das Institut für angewandte Forschung Urbane Zukunft .......212Dipl.-Ing. Christina Schade; Prof. Dr. Marian Dörk; Katrin Glinka, M.A.; Dipl.-Geol. Matthias Hauf; Prof. Dr. Harald Mieg; Prof. Dr.-Ing. Michael Prytula; Jens Rauenbusch; Prof. Dr. Tobias Schröder

“Moleculart” – schwimmende Pontonhäuser für künstlerische Events auf innerstädtischen Gewässern in Berlin ........................................................................................218Cleo-Trix Lutz, M.Sc.; Sabine Eggers, M.Sc.; Prof. Dr. Susanne Junker; Prof. Dr. Willi Hasselmann


VORWORT


Die Stadt der Zukunft aktiv gestaltenEnergiewende, demographischer Wandel und Klimawandel, das sind nur einige der aktuellen Entwicklungen, die unsere Welt in den kom-menden Jahrzehnten grundlegend verändern werden. Aufgrund der fortschreitenden Urbanisierung werden sich diese Entwicklungen nicht nur auf die Entwicklung der Städte auswirken.

Gerade für wachsende Städte wie Berlin müssen zahlreiche, drängen-de Fragen beantwortet werden: Wie wird die Energieversorgung und wie die Mobilität der Zukunft aussehen? Wie können wir den CO2-Ausstoß in möglichst vielen Bereichen unseres Lebens reduzieren, um dem Klimawandel zu begegnen? Wie werden der Verkehr, die Umwelt und das Leben insgesamt in der Stadt der Zukunft aussehen? Wie wird die Industrie 4.0 in der Zukunft kommunizieren? Wie können wir

verhindern, dass die zunehmende Digitalisierung unserer Kommunikation durch Hacker ausge-nutzt wird und zu unabsehbaren Gefahren für uns führt?

Jede dieser Fragen für sich könnte problemlos ganze Konferenzen füllen, ohne dass es möglich wäre, sie abschließend zu beantworten. Und so wird eine zentrale Aufgabe für Wissenschaft und Wirtschaft sein, in den kommenden Dekaden Lösungskonzepte für diese Fragestellungen zu entwickeln und umzusetzen. Für keine dieser Fragen wird es einfache Lösungen geben. Vielmehr werden zahlreiche Innovationen in den unterschiedlichsten Bereichen notwendig sein, um sich einer nachhaltigen Lösung der Fragestellungen anzunähern.

Ein entscheidender Erfolgsfaktor auf diesem langen Weg der Innovationen wird die enge Zu-sammenarbeit zwischen Wissenschaft und Wirtschaft sein. Berlin hat mit seinen zahlreichen Hochschulen und Forschungseinrichtungen einerseits, und seinen innovativen Unternehmen und einer agilen Startup-Szene andererseits, sehr wichtige Voraussetzungen, um diesen Weg zu einer Stadt zu Zukunft aktiv zu gestalten. Bereits heute gibt es zahllose, überaus spannende Projekte in Berlin und Brandenburg, die sich mit Fragestellungen beschäftigen und wichtige Impulse für mögliche Lösungen entwickeln.

Gerade das Vermitteln der Innovationen in die Region ist eine wichtige Voraussetzung, um durch eine wirtschaftliche Verwertung die Innovationen tatsächlich in unserem Alltag einführen zu kön-nen. Mit dem Research Day an der Beuth Hochschule werden Forschungsprojekte, Konzepte und Lösungsansätze vorgestellt, die sich an der Beuth Hochschule im weiteren Sinne mit dem Thema „Stadt der Zukunft“ beschäftigen. Der Research Day soll mit seinen Fachbeiträgen und einem Raum für das persönliche Gespräch eine Plattform für den Austausch von Ideen aber auch für die Anbahnung von neuen Kooperationen sein. Denn gerade der Austausch zwischen Forschung und Wirtschaft kann wichtige Impulse nicht nur für weitere Innovationen, sondern auch die wirt-schaftliche Nutzung dieser Innovationen in der Region fördern.

Die Forschungskommission der Beuth Hochschule hat in einem Peer-Review-Verfahren aus den Einreichungen Beiträge für den Research Day als Vortrag, Poster und für diesen Tagungsband ausgewählt.

Ich wünsche Ihnen eine inspirierende Lektüre und bedanke mich bei den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern für die Realisierung des Research Day 2015!

Prof. Dr. rer. nat. Sebastian von Klinski Vizepräsident für Forschung und Hochschulprozesse

VORWORT


GASTBEITRAG

Die Digitalisierung der StadtProf. Dr.-Ing. Ina Schieferdecker1

1 Fraunhofer FOKUS / Freie Universität Berlin

Nach den Umwälzungen, die die Telekommunikation, Mobilkommunikation und das allgegenwär-tige Internet mit sich gebracht haben, steht nun die nächste Umwälzung entlang der vernetzten Digitalisierung in Anwendungsbereichen wie den Verkehrsnetzen, Energienetzen, Transportnet-zen, Versorgungs- und Entsorgungsnetzen und weiteren Anwendungsbereichen im urbanen Raum bevor. Dabei geht es nicht nur um eine durchgehende Digitalisierung jedes dieser Netze an sich, sondern um eine übergreifende Vernetzung in der Stadt, so dass Erkenntnisse, Verbesserungs-optionen und Optimierungen für das Gesamtsystem Stadt ermöglicht und urbane Räume lebens-werter und innovativer werden. Dies wird umso dringlicher, als dass 2050 6,3 Mrd. Menschen in urbanen Räumen leben werden, fast doppelt so viele wie heute.

Wie in [1] beschrieben sind Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) dabei Treiber und Impulsgeber. Aufbauend auf einer Analyse des Stands und laufender Entwicklungen werden verbleibende Defizite identifiziert und Handlungsfelder für politisch Verantwortliche, Wirtschaft, Wissenschaft und Bürger/-innen hergeleitet. Dabei werden zwei Bereiche für die Handlungsfelder identifiziert: die Kerninfrastruktur als dynamisierende integrative cyberphysikalische Systeme (DICS) und die wettbewerbs- und bürgerzentrierte Infrastruktur (WBI), siehe Abb. 1.

Abb. 1: Gesamtstruktur der integrierenden IKT aus [1]

Die DICS als IKT-Plattform für künftige Städte stellt eine Kerninfrastruktur derselben dar und muss als öffentliche Infrastruktur – mit den damit verbundenen Aufgaben – verstanden wer-den. Die DICS versteht den urbanen Raum (das Feld) als integralen Bestandteil der Plattform, die IKT-Plattform als dedizierte und kritische Infrastruktur und ermöglicht Steuerungen im urbanen Raum mit Fokus auf Nutzer-Befähigung und Teamarbeit. Die DICS ermöglicht dyna-misierende Infrastrukturen, erfordert genuine Sicherheit und unterstützt eine integrative Stadt-entwicklung. Jeder dieser Aspekte ist in weitere Unterpunkte für anstehende F&E gegliedert.


GASTBEITRAG

So umfassen bspw. dynamisierende städtischer Infrastrukturen Echtzeit-Informationen zu städ-tischen Infrastrukturen, Simulationsmöglichkeiten für städtische Infrastrukturen, partizipative Makro- und Mikroplanungen, (semi-)automatisierte Echtzeit-Steuerungen, die Modellierung der Prozesse und dynamischen Abläufe in der Stadt und die Sammlung von Lösungsmustern für die Dynamisierung städtischer Infrastrukturen.

Wesentliche Vorschläge von [1] sind in die Strategische Forschungs- und Innovationsagenda der Zukunftsstadt [2], die von der Nationalen Plattform Zukunftsstadt erarbeitet wurde, eingeflossen. Unter den sieben Innovationsfeldern beschäftigen sich insbesondere die Innovationsfelder „Pio-nierprojekte für urbane Infrastrukturen“ und „Werkzeuge und Verfahren für Planung und Wissens-management“ mit Informations- und Kommunikationstechnologien für die Zukunftsstadt. Zudem wurden neun strategische Leitthemen identifiziert, bei denen „Schnittstellentechnologien für die Zukunftsstadt“ und „Daten, Informationsgrundlagen und Wissensvermittlung“ IKT hauptsächlich adressieren, aber ebenso „Städtisches Transformationsmanagement“, „Stadt – Quartier – Ge-bäude“, „Resilienz und Klimaanpassung“, „Energie, Ressourcen und Infrastruktursysteme“ und „Mobilität und Warenströme in der Zukunftsstadt“, was u.a. die zentrale Rolle und gleichzeitig den integrativen Charakter der digitalen Vernetzung in der Zukunftsstadt mittels IKT verdeutlicht.

So hat Fraunhofer FOKUS bei der Generalversammlung der European Innovation Partnership on Smart Cities and Communities am 21. Mai 2015 in Berlin in Anwesenheit von EU-Kommissar Günther H. Oettinger zusammen mit Nokia HERE, Microsoft und weiteren ein Memorandum of Understanding für offene und interoperable städtischen Plattformen unterzeichnet [3]. Die Un-terzeichner verpflichteten sich, gezielt interoperable Plattformen zu nutzen und zu fördern. Ziel ist es, bis 2018 einen starken europäischen Markt für urbane Plattformen zu ermöglichen, so dass bis 2025 300 Mio. Einwohner europäischer Städte urbane Plattformen für ihre Geschäfte, ihr Arbeiten und Leben in der Stadt nutzen können. Zudem sollen städtische Verwaltungen über die urbanen Plattformen Innovationen befördern können [4].

Literatur[1] M. Mühlhäuser, J. Encarnação (Eds): Integrierende Informations- und Kommunikationstechno-

logien (IKT) für die Stadt der Zukunft, acatech, August 2014

[2] Nationale Plattform Zukunftsstadt (Eds): Zukunftsstadt – Strategische Forschungs- und Inno-vationsagenda, BMBF, Februar 2015

[3] European Innovation Partnership on Smart Cities and Communities: Towards Open Urban Platforms for Smart Cities and Communities, Memorandum of Understanding, Mai 2015

[4] Market Place of the European Innovation Partnership on Smart Cities and Communities: https://eu-smartcities.eu/, zuletzt am 10. Juni 2015 besucht

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Gesamtstruktur der integrierenden IKT

KontaktProf. Dr.-Ing. Ina Schieferdecker

Fraunhofer FOKUS / Freie Universität Berlin

Mobil: +49 175 260 30 21 E-Mail: [email protected]


AGENDA

Research Day 2015 Stadt der Zukunft Konzepte und Technologien

Eröffnung Vizepräsident für Forschung und Hochschulprozesse Prof. Dr. Sebastian von Klinskigrusswort Steffen Krach, Staatssekretär für Wissenschaft (SenBJW)

gastrEdnErin IKT für smarte Städte 20 Minuten Prof. Dr.-Ing Ina Schieferdecker (Fraunhofer FOKUS/FU Berlin)

Podium Ausgewählte Beiträge » HeatMap: Visualisierung von Heizenergieverschwendungen in öffentlichen Gebäuden durch eine HeatMap (Prof. Dr. Müller – HTW Berlin)

» Virtuelle Mikrofone: Empfangen von Audioschall mittels Ultraschall (Prof. Dr. Merkel – Beuth Hochschule)

» Spielplätze in Berlin Pankow: GIS-Analyse der fußläufigen Erreichbarkeit (Prof. Dr. Schweikart – Beuth Hochschule)

» Fluid-Struktur-Interaktion flexibler Tragflügelprofile: Experimentelle und numerische Untersuchung (Prof. Dr. Kleinschrodt – Beuth Hochschule)

» Virtuelles Mikrobiologielabor: Gestaltung einer grafischen Nutzerschnittstelle (Prof. Dr. Gers – Beuth Hochschule)

PostEr-flash Jede(r) Aussteller/-in präsentiert das eigene Poster in einer Minute und IHK Berlinetwa 25 Minuten

gEt-togEthEr Ausstellung und Diskussion » 20 Posterbeiträge zu Lösungsansätzen und aktuellen Entwicklungen (Wissenschaftler/-innen und Partner aus der Region Berlin/Brandenburg)

» Institut für angewandte Forschung Berlin (IFAF Berlin) » IHK – Präsentation zur Plattform »marktreif« (IHK Berlin) » Zukunftsvisionen von Studierenden aus dem Fachbereich Architektur und Gebäudetechnik

mit Snacks

AgendaZEit Dienstag, 21.04.2015; 17 bis 19 Uhr anschließend Get-together

ort Beuth Hochschule für Technik Berlin Beuth Halle Luxemburger Str. 10 13353 Berlin

modEration Prof. Dr. Anne König Beuth Hochschule für Technik Berlin

je 10 Minuten

Amrumer StraßeU9

Ostender Straße

Luxemburger Straße

Triftstraße

PARKHAUS

Limburger Straße

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Beuth-Halle

AtzeTheater

Mensa

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A Haus BEUTH

C Haus GRASHOFB Haus GAU

DHaus BAUWESEN


AGENDA

EröffnungVizepräsident für Forschung und Hochschulprozesse Prof. Dr. Sebastian von Klinski Beuth Hochschule

Grußwort Staatssekretär für Wissenschaft Steffen Krach (SenBJW) Gastrednerin

Fraunhofer Fokus Berlin Prof. Dr. Ina Schieferdecker

Moderation Beuth Hochschule für Technik Berlin Prof. Dr. Anne König

Prof. Dr. Birgit Müller HTW Berlin

Prof. Dr. Mathias Fraaß Beuth Hochschule

Vorträge

Tom Ritter Beuth Hochschule

Prof. Dr. Felix Gers Beuth Hochschule

Matthias Voß Beuth Hochschule

Prof. Dr. Jürgen Schweikart Beuth Hochschule


POSTERFLASH

Research Day 2015 Stadt der Zukunft Konzepte und Technologien

Prof. dr.-ing. JohannEs BadEr · Beuth hochschule für technik Berlin: Qualitätssicherung in der Pharma- und Lebensmittelindustrie durch den Einsatz optimierter Bioindikatoren und die Lokalisa-tion von Biofilmen in Rohrleitungssystemen · Forschungsschwerpunkt »Life Science«

Prof. dr. ingEBorg BEckErs · Beuth hochschule für technik Berlin: Entwicklung und Integration von Verfahren zum automatisierten computergestützten Qualitätsmanagement von retinalen OCT-Aufnahmen · Forschungsschwerpunkt »Life Science«

Prof. dr.-ing. PEtEr götZ · Beuth hochschule für technik Berlin: Biosynthese von Grundchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen · Forschungs-schwerpunkt »Life Science«

Prof. dr.-ing. Bri nEwEsEly · Beuth hochschule für technik Berlin: Theatrale Orte in Berlin: ephemere Archi-tektur – transitorische Räume – kulturelle Werkzeuge · Forschungsschwerpunkt »Life Science«

Prof. dr. Jörg schmütZ · Beuth hochschule für technik Berlin: Spritzgießen optischer Bauteile aus Cyclo olefinpolymeren und -copolymeren · Forschungsschwerpunkt »Life Science«

Prof. dr.-ing. Joachim Villwock · Beuth hochschule für technik Berlin: Verbesserung der Wäschepflege mit Hilfe von Häufigkeitsanalysen · Forschungsschwer-punkt »Life Science«

Prof. dr. fElix alExandEr gErs · Beuth hochschule für technik Berlin: Logik zur Simulation von Laborversuchen für eine Game-based-Learning-Anwendung · Forschungsschwerpunkt »Medien- und Kommunikationstechnologien«

Prof. dr. gudrun görlitZ · Beuth hochschule für technik Berlin: Multi-Touch-Displays und Smartphones im Rettungseinsatz bei Großveranstaltungen · Forschungsschwerpunkt »Medien- und Kommunikationstechnologien«

Prof. dr. christian hErta · hochschule für Wirtschaft und technik Berlin: Sensor-basierte Erkennung von Kopf- und Körpergesten · Forschungsschwerpunkt »Medien- und Kommunikationstechnologien«

Prof. dr.-ing. michaEl rohdE · Beuth hochschule für technik Berlin: Freistrahloptische Kommunikation Free Space Optical Communication · Forschungs-schwerpunkt »Medien- und Kommunikations-technologien«

dr. maxinE saBorowski · alice salomon hochschule Berlin: Techniknutzung – ein Netzwerk-Modell am Beispiel Augensteuerung · Forschungs-schwerpunkt »Medien- und Kommunikations-technologien«

Prof. dr. roBErt strZEBkowski · Beuth hochschule für technik Berlin: Cross-Channel- & Cross-Media-Platform · Forschungsschwerpunkt »Medien- und Kommunikationstechnologien«

Prof. diPl.-ing. katJa BiEk · Beuth hochschule für technik Berlin: Nachhaltigkeit und Energie-effizienz in Sonderanlagen (BioClime-Project) · Forschungsschwerpunkt »Urbane Technologien«

Prof. dr. antJE ducki · Beuth hochschule für technik Berlin: Improving Health – Promoting Innovation: The »InnoHeCo Procedure« · Forschungs-schwerpunkt »Urbane Technologien«

Prof. dr. susannE JunkEr · Beuth hochschule für technik Berlin: MoleculART – Standortwechsel im fließenden Übergang · Forschungsschwerpunkt »Urbane Technologien«

Prof. dr.-ing. Paul kohlEnBach · Beuth hochschule für technik Berlin: Green IT – Innovative Kühlung von Rechenzentren mittels Adsorptionskälte-anlagen · Forschungsschwerpunkt »Urbane Technologien«

Prof. dr. yuri luchko · Beuth hochschule für technik Berlin: Mathematische Modelle der anomalen Diffusion des Grundwassers · Forschungs-schwerpunkt »Urbane Technologien«

diPl.-ing. christina schadE · fachhochschule Potsdam: Institut für Angewandte Forschung Urbane Zukunft · Forschungsschwerpunkt »Urbane Technolo-gien«

Prof. dr. rEr. nat. diPl.-ing. mathias fraass · Beuth hochschule für technik Berlin: Visualisierung von Heizenergie-verschwen-dungen in öffentlichen Gebäuden durch eine Heatmap · Forschungsschwerpunkt »Urbane Technologien«

dr. PEtra könig · industrie und handelskammer zu Berlin: Online schnell die richtigen Koopera-tionspartner finden mit www.marktreif.berlin, dem Matchingtool für die branchen- und disziplinenübergreifende Kooperations-anbahnung im FuE-Bereich.

Poster-Flash


POSTERFLASH


IMPRESSIONEN


IFAF Berlin: Forschen im Verbund

PARTNER

Einige der vorgestellten Forschungsprojekte werden durch das Institut für angewandte Forschung (IFAF Berlin) gefördert.Mit dem Ziel die Forschung an Fachhochschu-len zu stärken und den Wissens- und Tech-nologietransfer in die Anwendung zu fördern, wurde 2009 das IFAF Berlin von den vier staatlichen Berliner Hochschulen – der Alice Salomon Hochschule, der Beuth Hochschule für Technik, der Hochschule für Technik und Wirtschaft und der Hochschule für Wirtschaft und Recht – mit finanzieller Unterstützung der Berliner Senatsverwaltung für Bildung, Wissenschaft und Forschung gegründet. Das IFAF Berlin fördert insbesondere Ver-bundprojekte der am Institut beteiligten Hochschulen untereinander mit Partnern aus der Region Berlin-Brandenburg. Das gemeinsame Institut bündelt die anwen-dungsorientierte Forschungskompetenz der vier beteiligten Hochschulen und dient als zentrale Anlaufstelle für: ■ die Wissensnachfrage kleiner und

mittlerer Unternehmen sowie Non-Profit-Organisationen aus der Region Berlin-Brandenburg sowie

■ Wissenschaftler/-innen der vier am IFAF Berlin beteiligten Hochschulen

IHK Berlin: marktreif.berlin

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Kooperationen im F&E-Bereich erscheinen Ih-nen vielversprechend? Aber wie den passen-den Partner finden?Um genau diese Hürde zu mindern, bieten die Projektpartnerinnen IHK Berlin, Berlin Partner für Wirtschaft und Technologie GmbH sowie die Handwerkskammer Berlin gemeinsam die Kooperationsplattform „marktreif.berlin - Wirtschaft trifft Wissenschaft“ an. Rund um das Thema Wissens- und Technologietransfer werden Kontakte, Informationen und Servi-ces zur Verfügung gestellt, mit dem Ziel■ Wissenschaftseinrichtungen und Unter-

nehmen zu vernetzen,■ Berlin als Wissenschafts- und Technolo-

giestandort zu fördern und■ Transparenz zu schaffen.Drei Wege bietet marktreif.berlin Ihnen an, um erfolgreich Kontakte zu knüpfen und Netzwerkpartner zu finden:1. Mit Schlüsselwörtern gezielt suchen.2. Selbst einen Kooperationswunsch

einstellen und gefunden werden.3. Durch eine intuitive Suche in den Inno-

vationsfeldern Partner für Ihre Kooperati-onen und Ihr Netzwerk finden, an die Sie bisher noch nicht gedacht haben.

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LIFE SCIENCE

RESEARCH DAY 2015 – STADT DER ZUKUNFT — TAGUNGSBAND – 21.04.2015 17

RESEARCH DAY 2015 – STADT DER ZUKUNFT

LIFE SCIENCE

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Qualitätssicherung in der Pharma- und Lebensmittelindustrie durch den Einsatz optimierter Bioindikatoren und die Lokalisation von Biofilmen in RohrleitungssystemenDipl.-Ing. Andreas Albin, M.Sc.1; Prof. Dr. Dipl.-Ing. Ulf Stahl2; Andreas Ziegler, M.Sc.3; Prof. Dr.-Ing. Matthias Rädle3; Prof. Dr.-Ing. Johannes Bader1

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin2 VLB-Berlin, Forschungsinstitut für Mikrobiologie3 Hochschule Mannheim, Institut für Prozessmesstechnik & Innovative Energiesystem

Kurzfassung

Mikrobielle Kontaminationen in Produktionsprozessen können eine Gefahr für die Produktqua-lität sowie die Gesundheit der Konsumenten darstellen. Die Reinigung und Sterilisation von Produktionsanlagen spielen daher eine wesentliche Rolle. Dabei stellt die Beseitigung von Biofilmen und sporenbildenden Bakterien eine besondere Herausforderung dar. Die ortsgenaue Detektion und die gezielte Reinigung/Desinfektion soll mittels einer in diesem Projekt zu entwi-ckelnden Sonde ermöglicht werden.

Abstract

Microbiologically contaminations in production processes may cause severe issues for product quality and the health of consumers. Therefore, reliable cleaning and sterilization of produc-tion facilities is required. Due to biofilm accumulation and bacterial endospores cleaning and sterilization is very challenging. Both, the precise localization and the accurate cleaning and sterilization are pursued through a newly developed probe in this research project.

EinleitungIndustrielle Produktionsprozesse im Bereich der Pharma- und Lebensmittelindustrie unterliegen strengen Qualitätskriterien. Mikrobielle Kontaminationen sind hierbei ein wesentliches Thema, da sie eine Gefahr für die Produktqualität und die Gesundheit des Konsumenten darstellen können. Auch wenn sterile Arbeitsbedingungen angestrebt werden, kann es durch Biofilme in beispielsweise schwer zu reinigenden Rohrleitungssystemen immer wieder zu mikrobiellen Kon-taminationen des Produktes kommen. Grund hierfür ist die erhöhte Resistenz der Biofilme und der darin enthaltenen Mikroorganismen gegen die standardmäßigen Prozeduren eines CIP und SIP (Cleaning in Place und Sterilisation in Place). Eine exakte Lokalisierung und gezielte Beseiti-gung der Biofilme in Produktionsanlagen stellt häufig eine große Herausforderung dar.

Zur Validierung von Reinigungs- und Desinfektionsleistungen werden Bioindikatoren eingesetzt. Diese Indikatoren sind Mikroorganismen mit möglichst hohen Resistenzen gegen die verwen-dete Desinfektionsmethode. Man kann daher davon ausgehen, dass alle anderen – weniger resistenten – Keime abgetötet wurden, wenn der resistentere Bioindikator inaktiviert wurde. Zu den industriell eingesetzten Bioindikatoren gehören Endosporen der Gattung Bacillus (Abb. 1), da diese eine hohe Resistenz gegenüber thermischen, physikalischen und chemischen Einflüssen aufweisen. Die Gattung Bacillus kommt ebenfalls häufig in Biofilmen vor und weist, neben der Fähigkeit Sporen zu bilden, damit einen zusätzlichen Schutzmechanismus gegen Desinfektionsverfahren auf. Auch für Produkte die nach der Abfüllung pasteurisiert werden stellt ein Bacillus-Biofilm ein Problem dar, da aus ihm freiwerdende Sporen durch eine Pasteurisation nicht inaktiviert werden.

TAGUNGSBAND – 21.04.2015

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Biofilme und Resistenzen von MikroorganismenBiofilme stellen eine strukturell komplexe multizelluläre Gemeinschaft aus meist unterschiedli-chen Mikroorganismen dar. Sie entstehen, wenn sich einzelne Zellen an Grenzflächen anlagern und dort vermehren. Je nach Art und Substrat sind die Zellen im Biofilm durch EPS (Extracelluläre polymere Substanzen), die im Wesentlichen aus unterschiedlichen Proteinen und Polysaccha-riden bestehen, umgeben (Vlamakis et al., 2013). Die Matrix verleiht dem Biofilm eine mechani-sche Stabilität, wodurch die Mikroorganismen teilweise vor dem Wegspülen oder der Abtragung geschützt sind. Weiterhin bietet die EPS Schutz vor chemischen, thermischen und anderen physikalischen Einflüssen.

Ein ausgereifter Biofilm steht im Gleichgewicht zwischen sich vermehrenden Zellen und Zellen, die aus dem Biofilm freigesetzt werden. Für den Schutz des Produkts ist eine komplette Entfernung des Biofilms bislang nur durch intensive Reinigung mit langen Einwirkzeiten und hohen Konzentrationen an Reinigungs- und Desinfektionsmitteln möglich, wobei der Erfolg der Reinigung kontrolliert werden muss. Bereits der Hersteller von Produktionsanlagen muss bele-gen, dass die jeweilige Anlage die Anforderungen des Kunden in Bezug auf die Entkeimungsleis-tung erfüllt, wobei die oben genannten Bioindikatoren eingesetzt werden.

Herstellung von BioindikatorenDie Herstellung von Bioindikatoren stellt eine Herausforderung dar, da sich schon kleinste Un-terschiede im Fermentationsprozess sowie in der Medienzusammensetzung auf die Qualität, also die Resistenz des Endprodukts Spore auswirken können. Kommerziell erhältliche Bioindikatoren weisen daher je nach Charge teilweise erhebliche Unterschiede in ihrem Resistenzverhalten auf. Die Bedingungen während der Herstellung der Sporen sowie die Kontrolle der Sporenqualität ist daher ein wesentlicher Bestandteil bei der reproduzierbaren Nutzung von Bioindikatoren. Wei-terhin ist die Auswahl des geeigneten Testkeims auf die zu überprüfende Desinfektionsmethode abzustimmen.

Ein weiterer Einfluss, der bei der Nutzung von Bioindikatoren für die Validierung von Desinfekti-onsprozessen eine Rolle spielt, ist die Lagerung und Haltbarkeit. Je nach Lagerungsbedingungen verändert sich die Resistenz von Sporen und nimmt mit zunehmendem Alter ab (Abb. 2). Die Resistenz wird in Form des D-Wertes angegeben und gibt die Zeit an, in der 90 % der Bakterien durch das Desinfektionsverfahren abgetötet wurden. Der D-Wert ist dabei sowohl für die ange-wandte Desinfektionsmethode als auch für den jeweiligen Bioindikator spezifisch.

Abb. 1: Schematischer Aufbau einer Spore (modifiziert nach Leggett et al., 2012). Das im Kern vorliegende Erbgut ist durch den komplexen Aufbau der Spore vor äußeren Einflüssen geschützt.


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Detektion und Desinfektion von RohrleitungssystemenRohrleitungssysteme sowie andere fest installierte Anlagenteile können nur durch ein CIP und SIP (Cleaning in Place und Sterilisation in Place) gereinigt und desinfiziert werden. Hierbei werden die entsprechenden Lösungen für definierte Einwirkzeiten in das System eingebracht und im Anschluss mit großen Mengen an Neutralisationslösung bzw. Reinstwasser ausgespült. Biofilme werden auf Grund des vorher schon beschriebenen Aufbaus nur teilweise entfernt bzw. inaktiviert. Zum Aufspüren solcher verbleibender organischer Verunreinigungen reichen bislang eingesetzte Kamerasysteme nicht aus, da die zu detektierenden Bereiche makroskopisch nicht sichtbar sind. Durch eine gezielte Lokalisation der Verunreinigungen wird eine punktuelle Reini-gung / Desinfektion ermöglicht, wodurch die Volumina an Reinigungschemikalien und Prozess-wasser sowie der zeitliche Ausfall der Anlagen minimiert werden können.

Die Detektion in Rohrleitungssystemen stellt eine große Herausforderung an die Entwicklung des Gerätes dar. Dieses muss besonders klein aufgebaut sein, um in die Rohrleitungen einge-bracht werden zu können, dabei aber alle Bauteile zur Detektion und Desinfektion enthalten. Die Auswahl der Bauteile ergibt sich dabei aus dem Messprinzip welches in diesem Projekt auf der Detektion an TOC (total organic carbon) beruht. Organische Verunreinigungen in den Rohr-leitungssystemen werden durch die Sonde zu CO

2 oxidiert, welches im Anschluss durch die inte-

grierten Messsysteme erfasst wird. Die spezielle Anordnung und Schaltung der Messinstrumente in der Sonde soll auch kleinste Verunreinigungen detektieren und eventuell gezielt beseitigen können. Die Entwicklung des Sensorkopfes mit allen notwendigen Bauteilen wird durch die Hochschule Mannheim, Institut für Prozessmesstechnik und Innovative Energiesysteme, unter Leitung von Herrn Professor Dr. M. Rädle realisiert. Die Lokalisation der Verunreinigung sowie Software und Motorsteuerung für die autonome Fahrweise werden durch die Firma Aquaduna GmbH & Co KG umgesetzt. Dieser Kooperationspartner besitzt eine herausragende Kompetenz im Bereich der Reinigung von Rohrsystemen. Die Untersuchungen an der Beuth Hochschule für Technik umfassen Arbeiten zum Ermitteln des Wirkungsspektrums, der Nachweisgrenze sowie zur Leistungsfähigkeit der neu entwickelten Sonde unter unterschiedlichen Prozessbedingungen.

Abb. 2: Abfall des D-Wertes während der Lagerung eines Bioindikators. Der D-Wert nimmt mit zunehmender Lagerzeit ab, die Steigung des Abfalls ist dabei abhängig von den Lagerbedingungen (hier in flüssiger Form in unterschiedlichen Lösungen). Der D-Wert bezieht sich auf die Entkeimung von Bacillus subtilis Sporen mit 55°C temperiertem H

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Zusammenfassung Mikrobielle Kontaminationen in industriellen Produktionsprozessen stellen in der Pharma- und Lebensmittelindustrie eine Gefahr für die Produktqualität und die Gesundheit des Konsumenten dar. Die Anforderungen an die Reinigung und Sterilisation (CIP und SIP) der Herstellungsanlagen sind dementsprechend hoch.

Biofilme stellen durch ihren komplexen Aufbau ein besonderes Problem dar, da sie durch die üblichen CIP- und SIP-Verfahren nur teilweise entfernt werden können. Durch den Einsatz einer an Rohrleitungen angepassten Sonde, die die Biofilme mittels Bestimmung des TOC in Rohren sicher und punktgenau aufspüren und desinfizieren kann, wird die Gefahr mikrobieller Produkt-kontaminationen verhindert. Das in diesem Projekt zu entwickelnde System kann durch die di-rekte punktuelle Desinfektion von Rohrleitungen große Volumina an Reinigungschemikalien und Prozesswasser einsparen sowie den zeitlichen Ausfall der Anlagen minimieren.

LiteraturLeggett, M.J., McDonnell, G., Denyer, S.P., Setlow, P. und Maillard, J.-Y. (2012). Bacterial spore structures and their protective role in biocide resistance. Journal of Applied Microbiology 113 (3): 485–498

Vlamakis, H., Y. Chai, Beauregard, P., Losick, R., Kolter, R. (2013). Sticking together: building a biofilm the Bacillus subtilis way. Nature Reviews Microbiology 11(3): 157-168


Abbildung 1: Schematischer Aufbau einer Spore

Abbildung 2: Abfall des D-Wertes während der Lagerung eines Bioindikators

KontaktProf. Dr.-Ing. Johannes Bader

Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich V / Life Science and Technology Seestraße 64, 13347 Berlin

Telefon: (030) 4504-3955 E-Mail: [email protected]

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Entwicklung und Integration von Verfahren zum automatisierten, computergestützten Qualitätsmanagement von retinalen OCT-Aufnahmen Prof. Dr. Ingeborg Beckers1; Maximilian Beier2; Alexander Brandt3; Prof. Dr. Frank Hausser1; Christoph. Jansen2; Prof. Dr. Dagmar Krefting2; Tim Oberwahrenbrook4; Frank Roos1; Philipp Steyer1

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Mathematik – Physik – Chemie2 Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, Fachbereich Informatik, Kommunikation und Wirtschaft3 Motognosis UG 4 NeuroCure Clinical Research Center Charité Berlin (NCRC)

Kurzfassung

Die nichtinvasive optische Kohärenztomographie (OCT) der Netzhaut nimmt zunehmend bei der Diagnose und Therapiebegleitung von neurologischen Erkrankungen eine wichtige Rolle ein. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Identifikation von Qualitätsmerkmalen und darauf aufbauend die Entwicklung von Algorithmen für die Klassifikation der OCT-Aufnahmen. Die Entwicklung der IT-Plattform stellt dabei die performante Verarbeitung großer Datenmengen und die dynamische Integration neuer Algorithmen sicher.

Abstract

Optical coherence tomography (OCT) of the retina is a method of increasing impact in diagnosis and monitoring of therapy for neurodegenerative diseases. The present work describes the de-velopment of algorithms for OCT image classification based on artifact identification and hence generated quality features. To ensure efficient processing of the increasing amount of data and con-tinuous integration of new quality assessment methods, a cloud based IT-platform is developed.

EinleitungBisher wurde die Qualitätskontrolle von im Rahmen von klinischen Studien erhobenen Bilddaten manuell durch das Personal durchgeführt. Aufgrund der zunehmenden Datenvolumina ist eine Computerunterstützung des QM-Prozesses dringend notwendig. Viele Qualitätsparameter wie das Signal-Rausch-Verhältnis oder die korrekte Auswahl des Bildausschnitts können prinzipiell automatisiert durchgeführt werden, so dass eine automatisierte Qualitätsbewertung den perso-nellen Aufwand drastisch reduzieren kann.

Hauptteil Die optische Kohärenztomographie (OCT) zählt zu den nicht-invasiven Bildgebungsverfahren und ermöglicht tomographische Gewebeaufnahmen. Ein wichtiges Anwendungsgebiet stellt dabei die Untersuchung des Augenhintergrundes mit OCT dar, da viele neurodegenerative Krankheiten zu einer Veränderungen der Netzhaut führen. Für deren Diagnose und Verlaufsstudie bei der The-rapie ist die Bildqualität der OCT-Volumenaufnahmen von entscheidender Bedeutung. Innerhalb der hier vorgestellten Arbeit wurden in einem ersten Schritt die OSCAR-IB Qualitätskriterien [Tew12] für den Ausschluss von Bildern für Analysen überarbeitet. Eine umfangreiche Analyse von Bildartefakten war dabei Grundlage der Definition von Qualitätsindikatoren (Kapitel 1). Im Anschluss wird die Entwicklung und Implementierung der Algorithmen für die Qualitätssicherung der OCT-Aufnahmen präsentiert, welche die Bilder hinsichtlich ihrer Merkmale bewertet. Für eine differenzierte Klassifizierung, die an unterschiedliche Auswertungsanforderungen angepasst ist, wurden Maschinen-Lernverfahren eingesetzt. Statistische Bildmerkmale werden dabei mit der Methode der Hauptkomponentenanalyse strukturiert (Kapitel 2).


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Für den Austausch der Daten wurde auf der Basis des Datenmanagementsystems XNAT eine IT-Infrastruktur entwickelt, welche die Aspekte der Datensicherheit, Skalierbarkeit und effektiven Verarbeitung großer Datenmengen sicherstellt (Kapitel 3).

1. Erhebung der QualitätskriterienDie Messroutine bei der Erstellung von Augenhintergrundaufnahmen mittels optischer Kohären-ztomographie, erfolgt über Rastern der Retina mit einer breitbandigen, kurzkohärenten Licht-quelle. Dabei wird an jedem einzelnen Messpunkt aufgrund der Rückstreuung der infraroten Strahlung im Gewebe (die Mittenwellenlänge beträgt 840 nm) ein Tiefenprofil über die Methode der Weißlichtinterferometrie erstellt. Die resultierenden einzelnen so genannten A-Scans, die Gewebeinformationen bis zu einer Tiefe von 3 - 5 mm enthalten, werden zu Schnittbildern (B-Scans) und schließlich zu einem Augenhintergrund Tomogram (C-Scan) zusammengesetzt. Das Auflösungsvermögen liegt dabei geräteabhängig im Bereich von einigen Mikrometern. Ein wichtiges Analyseverfahren in der medizinischen Diagnostik ist die Bestimmung von Schicht-dicken einzelner retinaler Schichten. Die Schichtdicken korrelieren mit dem Verlauf unterschied-licher neurologischen Krankheiten. Die Segmentierung der einzelnen Schichten wird dabei von den Geräten automatisch oder halbautomatisch durchgeführt. Unzureichende Bildqualität kann dabei zu Fehlern in der Segmentierung führen und folglich fehlerhafte Diagnosen verursachen. Aus diesem Grund ist eine Qualitätsbewertung (Klassifikation) der OCT-Aufnahmen von entschei-dender Bedeutung. Im Folgenden werden die wichtigsten Messfehler vorgestellt.a) Abgeschnittene B-Scans (lateral und axial). Ein Eye-Tracking System ermöglicht ein Verfol-gen der Augenbewegung und somit ein fehlerarmes Zusammensetzen der einzelnen B-Scans. Jedoch können einerseits zu starke Bewegungen seitens der Patienten zu einem Abschneiden der einzelnen B-Scans führen. Diese Bereiche stehen für die weitere Auswertung nicht zur Verfügung. Andererseits werden scharfe Aufnahmen nur innerhalb eines Tiefenbereiches der Kohärenzlänge des Lichtes erzeugt, so dass die Anwender stetig mechanisch Patientenbewegungen in axialer Richtung ausgleichen müssen. Bei Fehlern resultieren axial abgeschnittenen Bilder. (Abb. 1 links)b) Strahlversatz. Ein nicht zur Mitte der Augenpupille zentrierter Strahl, legt innerhalb des Auges eine längere Wegstrecke zurück. Da die Tiefe eines Signals über die Laufzeit detektiert wird, führt ein solcher Strahlversatz zu schräg in der Bildebene liegenden Bildern, die auch zu fehlerhaften Ergebnissen bei der Dickenmessung führen können. Ferner nimmt die Intensität des Signals zu den Rändern hin stark ab.c) Signalintensität und Signal-Rausch-Verhältnis. Für eine unzureichende Signalintensität und ein schlechtes Signal-zu-Rausch-Verhältnis, welche eine anschließende korrekte Schichtenseg-mentierung beeinträchtigen, oder gar unmöglich machen, existieren verschiedenste Ursachen. Eine Ursache ist die schlechte Fokussierung des Strahls auf den Augenhintergrund. Aufgrund der beschränkten Schärfentiefe und der Tatsache, dass nur innerhalb der Kohärenzlänge des Lichtes Signale detektiert werden, können unscharfe und intensitätsschwache Bildbereiche auftreten. Ebenso führt Speckle-Rauschen, als auch eine schwache Rückstreuung des Gewebes zur Beein-trächtigung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Diese und andere Fehlerquellen sind anhand der resultierenden Aufnahme nicht eindeutig getrennt zu identifizieren und beeinträchtigen verschie-dene bildbasierte medizinische Diagnosen unterschiedlich stark.

2. Berechnung der Qualitätsindikatoren und ImplementierungDie Bilder liegen im DICOM Format vor. Berechnungsmethoden und Algorithmen werden in der Software-Umgebung Matlab implementiert und anschließend als kompilierte ausführbare Pro-gramme auf der QM-Platform ausgeführt.

2.1. Vollständigkeit der AufnahmenUm die Vollständigkeit der Bilddaten zu überprüfen, werden fehlende Bereiche in lateraler und axialer Richtung automatisch identifiziert. Für letztere wird die obere Schichtgrenze der Retina


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berechnet und eventuelle Schnittbereiche mit der Bildkante werden festgestellt, siehe Abb. 1 mitte. Bereiche fehlender Bildinformation werden auf einem Übersichtsbild des Augenhintergrun-des als Qualitätslandkarte markiert, siehe Abb. 1 rechts. Für medizinisch relevante ROIs (Regions of interest) werden die Prozentanteile vollständiger Bildbereiche berechnet und als Qualitätsin-dikatoren zur Verfügung gestellt.

2.2. Signalstärke und Signal-Rausch-Verhältnis

Wie in Kapitel 1 dargestellt, sind Fehlerquellen für mangelnde Signalstärke und/oder schwaches Signal-Rausch-Verhältnis anhand der resultierenden Aufnahme nicht eindeutig getrennt zu iden-tifizieren. Um eine automatische Qualitätsbewertung (Klassifizierung) zu ermöglichen, werden daher eine Reihe berechenbarer Merkmale definiert. Unter Verwendung dieser Merkmale werden dann in einem zweiten Schritt mit Hilfe statistischer (maschineller) Lernverfahren und vorhande-ner Trainingsdaten geeignete Klassifikatoren gewonnen.

Es werden für jeden A-Scan, also für jede Spalte eines B-Scan-Bildes vier unterschiedliche Signal/Rausch-Merkmale berechnet (maximale Signalstärke, Rauschstärke im retinafreien Hintergrund, zwei unterschiedliche Signal-Rausch-Verhältnisse). Auch hier muss zunächst durch Segmentie-rung der Hintergrundbereich des Bildes identifiziert werden. Des weiteren werden acht Histo-gramm basierte Merkmale pro A-Scan berechnet. Die Werte dieser Qualitätsindikatoren können wieder als Qualitätslandkarte über dem Augenhintergrund visualisiert werden.

In einem ersten Schritt wurde als „Proof of Concept“ eine automatisierte Klassifikation von Bild-bereichen in die Klassen „segmentierbar“ und „nichtsegmentierbar“ vorgenommen. Dazu wurde unter Verwendung der vier Signal/Rausch-Merkmale eine lineare Diskriminanten-Analyse (LDA) basierend auf der Fisher-Diskriminante implementiert. Aus den vier vorhandenen Merkmalen wird ein einziges Merkmal geeignet linear kombiniert, und für dieses Merkmal ein Trennwert der beiden Klassen automatisch berechnet, siehe Abb. 2.

Derzeit werden von den medizinischen Partnern umfangreichere Trainingsdatensätze erzeugt. Da-mit wird eine systematische Bewertung der Güte der LDA möglich sein. In einem nächsten Schritt werden dann weitere nichtlineare Diskriminantenfunktionen unter Benutzung von neuronalen Netzen bzw. Support Vector machines eingelernt. Hier werden auch die berechneten Histogramm-basierten Merkmale zum Einsatz kommen.

Abb. 1 (Links) B-Scan: Die rote Linie zeigt die berechnete obere Grenze der Retina, die grüne Linie die Grenze des aufgenommenen Bildes in axialer Richtung und die blaue Linie die Grenze in lateraler Richtung. Es fehlen also kleine Bereiche links und rechts und ein wesentlicher Bereich oben, nämlich dort, wo grüne und rote Linie aufeinanderliegen. (Mitte und Rechts) Vollständigkeitslandkarte eines Macula- und eines ONH-Volumenscans. Der grünumrandete Bereich ist in lateraler Richtung vollständig. Im roten Bereich ist die Aufnahme in radialer Richtung nicht vollständig.


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3. IT-PlattformFür das Design der IT-Plattform stehen vor allem Aspekte der Skalierbarkeit, der Erweiterbar-keit, der Bedienbarkeit und der Informationssicherheit im Vordergrund. Die Anforderungsanalyse hat zwei verschiedene Nutzergruppen und damit verbundene Anwendungsszenarien identifiziert: Hauptzielgruppe sind klinische ForscherInnen, die die Bilddaten verwalten und auswerten. An-forderungen sind hier vor allem die nahtlose Integration in die tägliche Praxis und die leichte Bedienbarkeit. Die zweite Anwendergruppe sind die EntwicklerInnen der Analysemethoden. Die EntwicklerInnen arbeiten üblicherweise in ihrer eigenen lokalen Umgebung und benötigen ins-besondere eine Schnittstelle zur Plattform, in der sie kontinuierlich neue Algorithmen an die Systemanforderungen anpassen und testen können.

Aus Sicht der Informationssicherheit ist dabei zu beachten, dass die EntwicklerInnen üblicher-weise keinen Zugriff auf die Bildverwaltung haben dürfen (Vertraulichkeit) und insbesondere in-stabiler oder fehlerhafter Code nicht zu Beeinträchtigungen der Arbeitsumgebung der klinischen ForscherInnen führen dürfen (Verfügbarkeit). Zudem darf ein neuer oder veränderter Algorithmus bereits bestimmte Qualitätskriterien, nicht überschreiben, um die Reproduzierbarkeit bereits erfolgter Qualitätsanalysen zu gewährleisten (Integrität).

Als Basis wurde XNAT1 ausgewählt, ein freies und quelloffenes webbasiertes Datenmanagement-system speziell für die bildbasierte naturwissenschaftliche Forschung. Vorteile dieses Systems ist insbesondere die Erweiterbarkeit der Datenstrukturen und Nutzeroberflächen sowie die Einbin-dung von Postprocessingverfahren als sogenannte Pipelines. Im Rahmen des Projektes wurden Datentypen erweitert und neue Datentypen integriert; die automatische Qualitätsanalyse wurde als XNAT-Pipeline realisiert.

Aufgrund der Verfügbarkeitsanforderungen werden die Berechnungen verteilt in einer Open-Stack2-basierten Cloud-Infrastruktur durchgeführt. Die verhindert zum einen Störungen des XNAT-Systems, und erhöht die Skalierbarkeit, z. B. bei hohen Datenmengen oder rechenaufwändigen Verfahren.

Abbildung 3 zeigt die derzeit implementierte Infrastruktur.

1 https://wiki.xnat.org/2 https://wiki.xnat.org/

Abb. 2: LDA: Berechnung eines linear kombinierten Merkmals mit zugehöriger Verteilung in den beiden Klassen der vorliegenden Trainingsdaten.


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Die OCT-Daten liegen nach der Aufnahme in einem proprietären Datenformat vor. XNAT unter-stützt das in der medizinischen Bildgebung übliche DICOM3-Format nativ, so dass die Aufnahmen vor dem Hochladen konvertiert werden. Um auch die bereits vom Gerät durchgeführten Post-processingschritte, wie die automatische Erkennung der Netzhaut und einen groben Qualitäts-parameter in der Plattform zur Verfügung zu haben, werden neben der DICOM-Aufnahme, diese zusätzlichen Informationen als XML-Datei exportiert. Die Daten liegen im Rahmen von klinischen Studien bereits pseudonymisiert vor, d.h. die Patientennamen wurden durch studienspezifische Kürzel ersetzt. Um jedoch eine mögliche Reidentifizierung der Daten weiter zu erschweren, wird das Geburtsdatum auf das Geburtsjahr vergröbert. Da die manuelle Bearbeitung der beschriebe-nen Schritte sehr zeitaufwändig ist, wurden der Datenexport, die Vergröberung und das Hoch-laden zum XNAT-Server automatisiert. Dazu wurde die Automationssoftware AutoIT4 eingesetzt sowie der DICOM-Receiver des freien und quelloffenen DCMTK5 erweitert.

Zentrale Komponente der Infrastruktur ist das QMROCT-Gateway, dass für das Code- und Job-Ma-nagement (CJM) zuständig ist und zwischen dem XNAT-System (Daten) und der Cloud-Umgebung (Ressourcen) vermittelt. Das CJM wurde als Webservice implementiert, so dass alle Komponenten nun über REST-Schnittstellen kommunizieren können. Dies erleichtert insbesondere die Daten-sicherheit, da die Kommunikation vollständig über TLS verschlüsselt ist, als auch die mögliche Erweiterbarkeit der Infrastruktur. Die Implementierung umfasst auch die Nutzerschnittstelle für die AlgorithmenentwicklerInnen, über die sie neuen Code hochladen, kompilieren und mit vorin-stallierten Beispielbildern testen können. Verläuft der Test erfolgreich und wird der Algorithmus freigegeben, archiviert das hinterliegende git6-basierte Versionsmanagement ggf. existierende ältere Versionen und fügt die neue Version in das Methodenportfolio ein. Zurzeit wird die Integ-ration von matlab-basierten Analyseverfahren unterstützt. Auch die Algorithmentests werden in einer virtuellen Maschine innerhalb der Cloud durchgeführt, um Beeinträchtigungen des Systems durch fehler- oder schadhaften Code zu verhindern.

3 http://dicom.nema.org/4 https://www.autoitscript.com/site/autoit/5 http://dicom.offis.de/dcmtk.php.de6 http://git-scm.com/

Abb. 3: Architektur der QM-ROCT-Plattform


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KontaktProf. Dr. Ingeborg Beckers

Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich II / Mathematik – Physik – Chemie Luxemburger Straße 10, 13353 Berlin


Prof. Dr. Dagmar Krefting

Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin Fachbereich 4 / Informatik, Kommunikation und Wirtschaft Wilhelminenhofstraße 75 A, 12459 Berlin

Telefon: (030) 5019-3379 E-Mail: [email protected] Internet: www.ifaf-berlin.de/projekte/qm-roct

Zusammenfassung Die entwickelten Methoden und IT-Komponenten ermöglichen es erstmals, Qualitätsparame-ter optischer Kohärenztomografien in der klinischen Forschung automatisiert zu bestimmen. Besonderer Wert wurde auf die Unterstützung des gesamten QM-Prozesses gelegt – vom Daten-export und Hochladen in das System bis zur kontinuierlichen Erweiterung mit neuen Verfahren.

Literatur[Tew 12] Tewarie P, Balk L, Costello F, Green A, Martin R, et al. (2012) The OSCAR-IB Consensus

Criteria for Retinal OCT Quality Assessment. PLoS ONE 7(4): e34823. doi: 10.1371/ journal.pone.0034823


Abbildung 1: (links) B-Scan: Die rote Linie zeigt die berechnete obere Grenze der Retina, die grüne Linie die Grenze des aufgenommenen Bildes in axialer Richtung und die blaue Linie die Grenze in lateraler Richtung. Es fehlen also kleine Bereiche links und rechts und ein wesentlicher Bereich oben, nämlich dort, wo grüne und rote Linie aufeinanderliegen. (Mitte und Rechts) Vollständigkeitslandkarte eines Maculaund eines ONH-Volumenscans. Der grünumrandete Bereich ist in lateraler Richtung vollständig. Im roten Bereich ist die Aufnahme in radialer Richtung nicht vollständig.

Abbildung 2: LDA: Berechnung eines linear kombinierten Merkmals mit zugehöriger Verteilung in den beiden Klassen der vorliegenden Trainingsdaten.

Abbildung 3: Architektur der QM-ROCT-Plattform

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Resveratrol-Liposomen verkürzen die chronologische Lebens-dauer von S.pombe und HeLa-Zellen Dr. Susanne Probst1; Lihong Tong2; Yvonne Ibold2; Tabea Füllborn1; Wiebke Frank1; Nadja Strahl1; Kristina Wiltner1; Prof. Dr. Mont Kumpugdee-Vollrath2; Prof. Dr. Jacqueline Franke1

1 Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin2 Beuth Hochschule für Technik Berlin

Kurzfassung

Das natürlich vorkommende Polyphenol Resveratrol verlängert die Lebensdauer in verschiede-nen Modellorgansimen. Die Fachwelt ist sich jedoch nicht über die Stärke des Effekts und über die tatsächliche Wirkungsweise der Substanz einig.

In diesem Projekt wird gezeigt, dass Resveratrol-beladene Liposomen die chronologische Le-bensdauer von Hefe und HeLa-Zellen verkürzen können. Es werden unterschiedliche Ansätze diskutiert, um diese Beobachtung zu erklären.

Abstract

Resveratrol, a natural polyphenolic compound increases lifespan in several model organisms. However, the range of the effect and the molecular mechanism of Resveratrol action are dis-cussed controversially.

In this project we show that Resveratrol-loaded liposomes can shorten the chronological lifes-pan of yeast and HeLa cells. We discuss several possibilities in order to explain the results.

EinleitungDas Polyphenol Resveratrol (3,5,4‘-Trihydroxystilben) kommt in Nüssen, zahlreichen Beeren, roten Weintrauben und dementsprechend auch in Rotwein vor [PiFr08]. Resveratrol wurde bereits 1940 aus den Wurzeln des weißen Nieswurzes isoliert, aber erst 1992 wuchs das wissenschaftliche Interesse an der Substanz. Zu diesem Zeitpunkt wurde Resveratrol als eine Einflussgröße auf das „French Paradoxon“ (der Beobachtung, dass die französische Bevölkerung weit weniger kardio-vaskuläre Erkrankungen aufweist als die durchschnittliche Weltbevölkerung) diskutiert [BaSi06]. 1997 konnten Forscher nachweisen, dass Resveratrol die Karzinogenese unterschiedlicher Krebs-formen in verschiedenen Stadien hemmen kann [LZZZ07]. Der Substanz werden mittlerweile auch anti-inflammatorische Eigenschaften zugewiesen. Das Interesse an Resveratrol nahm weiter zu, als Howitz et al. 2003 postulierten, dass Resveratrol die humane Deactelyase SIRT1 aktivieren kann und die zelluläre Situation der caloric restriction mimikrieren kann [HBCL03]. In diesem Zusammenhang wurde die lebensverlängernde Wirkung von Resveratrol erforscht. Verschiedene Studien konnten zeigen, dass Resveratrol die Lebensdauer in einfachen Modellorganismen (Hefe, Wurm, Fliegen, Fisch) erhöhen kann [Baur00] [BhHu15]. Dieser lebensverlängernde Effekt und der Einfluß von Resveratrol auf die enzymatische Aktivität von SIRT1 werden mittlerweile kontrovers diskutiert [KMHH05].

Die Bioverfügbarkeit und Pharmakokinetik von Resveratrol wurden in Tierexperimenten und im Menschen ausführlich untersucht. Die Substanz besitzt eine geringe Bioverfügbarkeit, wird bei oraler Aufnahme schwach absorbiert und in vivo schnell metabolisiert. In wässrigen Lösungsmit-teln besitzt Resveratrol eine geringe Löslichkeit (<0,001 mol/L). Eine weitere Besonderheit des Resveratrols ist sein Vorkommen als cis- und trans-Isomer (Abbildung 1), wobei das trans-Isomer die biologisch aktive Form ist [Frém00]. Unter UV-Licht erfolgt eine Umwandlung in die cis-Form. Aufgrund der schlechten Löslichkeit in Wasser und der schnellen Umwandlung im enterohepati-schen Kreislauf zu Glucuronid und Sulfatkonjugaten erreicht nur eine geringe Konzentration an


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Resveratrol Blut und Gewebe. Eine Strategie, diese Limitierungen zu umgehen, ist das Einbringen in wasserlösliche Carrier, die chemischen und biologischen Schutz bieten und die Löslichkeit verbessern. Liposomen sind hervorragend geeignete Kandidaten, um lipophile Substanzen wie Resveratrol biokompatibel zu gestalten [BMCL12]. Sie besitzen eine breite Auswahl physiko-chemischer Eigenschaften und sind einfach herzustellen. Der eingeschlossene Wirkstoff wird langsam freigesetzt.

In diesem Projekt wurden Resveratrol-beladene Liposomen auf ihre Fähigkeit untersucht, die Lebensdauer des Modellorganismus S.pombe und von humanen Zelllinien zu beeinflussen.

Abbildung 1: Strukturformel von trans-Resveratrol (links) und cis-Resveratrol (rechts)

MethodenHerstellung von Resveratrol-Liposomen

Resveratrol wurde in Phospholipon85G (Lipoid, Ludwigshafen) eingebettet. Phospholipone wer-den über eine hydrierte Lecithinfraktion hergestellt, die aus Soja, Sonnenblumen oder Raps gewonnen werden. Phospholipon85G besteht aus einer Lecithin-Fraktion, die aus 85 Gewichts% Phosphatidylcholin und 3+3 Gewichts% Lysophosphatidylcholin besteht. Die Liposomen wurden mit der Filmmethode hergestellt: 15,51 mg Phospholipon85G wurde eingewogen, in 100 bis 200 µl Methanol: Chloroform im Verhältnis 2:1 vollständig gelöst und durch Vortexen homogenisiert [NaDK13]. Anschließend wurde so lange mit Stickstoff begast bis das Lösungsmittel verdunstet war und sich ein Lipidfilm am Gefäßrand bildete. Der so entstandene Lipidfilm verblieb 24 Stunden bei 40°C im Vakuumtrockenschrank. Zur Beladung mit Resveratrol wurde der entstan-dene Film mit einem äquimolaren Volumen einer 0,03 g/L Resveratrol-Lösung versetzt, bis eine homogene, trübe Dispersion entstanden war. Anschließend wurden die verschlossenen Flaschen im Trockenschrank für 15 Minuten bei 50°C inkubiert und danach gemischt. Dies wurde in meh-reren Zyklen durchgeführt bis eine homogene Dispersion entstanden war. Als Negativkontrolle wurde der Film anstelle mit der Resveratrol-Lösung nur mit sterilem vollentsalztem (VE) Wasser gemischt.

Bestimmung der chronologischen Lebensdauer in S.pombe

Die chronologische Lebensdauer von Zellen ist als die Zeitspanne definiert, in der Zellen in sta-tionärer Phase überleben können [FaLo03]. Sie ist ein Modell für die Alterung post-mitotischer Zellen. Experimentell wird sie ermittelt, indem Hefe-Zellen in Minimalmedium bis zur stationären Phase kultiviert werden, dann die zu testende Substanz (hier Resveratrol-Liposomen entspre-chend einer Resveratrolkonzentration von 80 mM) zugesetzt wird und anschließend regelmäßig alle 2 Tage die Lebensfähigkeit der Zellen überprüft wird. Das geschieht bei der Hefe S.pombe durch Ausplattieren von geeigneten Verdünnungen auf frischen Vollmedien und Auszählen der colony forming units (cfu) und die Bestimmung des Anteils der überlebenden Zellen in Abhän-gigkeit von der Zeit. Es wurden Doppelbestimmungen für jede Messung durchgeführt. In den Abbildungen ist der Mittelwert der cfu-Werte dargestellt. Die mittlere Lebensdauer bezeichnet den Zeitpunkt, an dem 50 % der Zellen noch lebensfähig sind.

Bestimmung der chronologischen Lebensdauer von HeLa-Zellen

Analog zu Leontieva und Blagosklonny (2011) [LeBl11] wurde ein modifiziertes Assay zur Bestim-mung der chronologischen Lebensdauer für HeLa-Zellen etabliert. HeLa-Zellen wurden in High


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Glucose-DMEM mit L-Glutamin, 10 % FCS, 1 % Pen/Strep in 96 well-Platten kultiviert bis die Zellen 100 % konfluent wuchsen und der pH-Wert des Mediums sank (sichtbar durch die Aufhel-lung des Mediums, ca. nach 3 Tagen). Die Zellen wurden dann mit Resveratrol-Liposomen ver-setzt, so dass eine Endkonzentration von 80 mM Resveratrol erreicht wurde. Als Negativkontrolle dienten leere Liposomen. Die Zellen der zu analysierenden wells wurden nachfolgend täglich einer Lebendzellzahlbestimmung unterzogen. Zu diesem Zweck wurde zunächst der Medium-überstand abgesaugt und nachfolgend die Zellen mit Trypsin/EDTA abgelöst. Die Zellen wurden in 1 mL PBS resuspendiert, einer Trypanfärbung unterzogen und der pH-Wert der Zellsuspensi-on mit Hilfe von pH-Messstreifen kontrolliert. Die Messungen wurden in Doppelbestimmungen durchgeführt, der Mittelwert ist in den Abbildungen dargestellt. Die mittlere Lebensdauer ist der Zeitpunkt, an dem 50 % der Zellen noch lebensfähig sind.

ErgebnisseResveratrol-Liposomen verkürzen die chronologische Lebensdauer in S.pombe

Unsere Versuche zeigen, dass sich die chronologische Lebensdauer von S.pombe in Anwesen-heit von Resveratrol-Liposomen verkürzt. Die mittlere Lebensdauer betrug in Anwesenheit von Resveratrol-Liposomen, die einer Konzentration von 80 mM Resveratrol entsprechen, 1,1 Tage, in Anwesenheit der Negativkontrolle 2,5 Tage (Abbildung 2a). Die Gesamtlebensdauer verkürzte sich von 12,5 Tagen auf 7,8 Tage (Abbildung 2b). Damit ist ein starker Abfall der Lebendzellzahl in den ersten Tagen des Experimentes in Anwesenheit von Liposomen zu beobachten (im Ver-gleich: die Gesamtlebensdauer von S.pombe in Abwesenheit von Liposomen betrug 12 Tage, die mittlere Lebensdauer 4,8 Tage).

Resveratrol-Liposomen verkürzen die chronologische Lebensdauer von HeLa-Zellen

Auch in HeLa-Zellen verursachten Resveratrol-Liposomen im Vergleich zu unbeladenen Liposo-men eine Verkürzung der chronologischen Lebensdauer. In Abbildung 2a ist ersichtlich, dass die mittlere Lebensdauer von HeLa-Zellen in Anwesenheit von Resveratrol-Liposomen 2,8 Tage im Vergleich zu 4 Tagen bei der Negativkontrolle betrug. Die Gesamtlebensdauer verkürzte sich von 12 Tagen (Negativkontrolle) auf 10 Tage (Resveratrol-Liposomen). Der pH-Wert reduzierte sich in der stationären Phase von 8,0 und 5,6 und veränderte sich im weiteren Verlauf des Versuches nicht weiter, unabhängig davon, ob Resveratrol-Liposomen präsent waren.

Abbildung 2: Bestimmung der chronolgischen Lebensdauer von S.pombe (A) und HeLa-Zellen (B). Die mittlere Lebensdauer sowie die Gesamtlebensdauer wurden in Anwesenheit von 80 mM Resveratrol-beladenen Liposomen in S.pombe und HeLa-Zellen verkürzt.

DiskussionResveratrol verfügt über eine breites Spektrum an biologischen und pharmakologischen Ei-genschaften. Es wirkt als Antioxidans, fördert die NO-Produktion, hemmt die Thrombozyten-aggregation, erhöht HDL-Cholesterol und wirkt somit als kardioprotektive Substanz [BaSi06]. Es wird weiterhin diskutiert, dass Resveratrol als chemopräventiver Wirkstoff gegen verschie-dene Krebsarten fungieren kann [LZZZ07]. In den letzten Jahren haben Forschergruppen einen


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Einfluss von Resveratrol auf die Lebensdauer (zelluläre und organismale) postuliert [BhHu15]. Für alle Anwendungen des vielversprechenden Moleküls gibt es jedoch eine Limitierung: die Substanz ist in wässrigen Medien wenig löslich und damit ist die Bioverfügbarkeit eingeschränkt. Einige experimentelle Ansätze wurden bereits verfolgt, um dieses Problem durch den Einsatz von geeigneten Drug Delivery-Systemen zu lösen. Liposomen haben sich dabei als geeignete Carrier herausgestellt [BMCL12]. Ziel dieses Projektes war, die chronologische Lebensdauer in den Modellen Hefe und HeLa-Zellen in Anwesenheit von Resveratrol-beladenen Liposomen zu untersuchen. Der Zusammenhang von Resveratrol und Alterung wurde zunächst festgestellt, indem nachgewiesen wurde, dass Resveratrol die replikative Lebensdauer der Hefe S.cerevisiae erhöht. Die replikative Lebensdauer ist ein Modell für die Alterung mitotisch-aktiver Zellen. Sie ist definiert durch die Anzahl der Töchter, die eine Mutterzelle im Laufe ihres Lebens generieren kann [StKK08].

Weitere Studien zeigten, dass auch die Lebensdauer von C.elegans, D.melanogaster, N.furzeri und A.mellifera bei Gabe von Resveratrol verlängert werden kann. Resveratrol kann die Lebens-dauer von Mäusen bei normaler Diät nicht verlängern. Jedoch ist ein lebensverlängernder Effekt bei Mäusen, die hochkalorisch ernährt werden, festzustellen [BPPJ06]. Mäuse zeigen zudem ein gesünderes Altern, wenn Resveratrol zugefüttert wird – ihre Healthspan ist länger. Es wird diskutiert, dass Resveratrol den Zustand der caloric restriction (CR) auslösen kann, da die Ex-pressionsmuster von CR und Resveratrolbehandlung sich ähneln [Baur00]. Diese Hypothese ist jedoch umstritten.

Ergebnisse in unserem Labor zeigen, dass Resveratrol auch die chronologische Lebensdau-er von Hefe verlängern kann (persönliche Kommunikation R.Lang). Für diese Untersuchungen wurde eine drug-senisitive Mutante der Hefe S.pombe genutzt. Dieser Hefestamm war auch Ausgangspunkt für die Untersuchungen der chronologischen Lebensdauer in Anwesenheit von Resveratrol-Liposomen. Überraschenderweise konnten wir feststellen, dass in Anwesenheit von Resveratrol-Liposomen im Vergleich zu unbeladenen Liposomen die chronologische Lebensdau-er von S.pombe verkürzt wurde. Dies betraf sowohl die mittlere Lebensdauer als auch die Gesamtlebensdauer. Interessant ist weiterhin, dass die unbeladenen Liposomen per se bereits eine Verkürzung der mittleren Lebensdauer zeigten (2,5 Tage in Anwesenheit von unbeladenen Liposomen gegenüber 4,8 Tagen für die unbehandelten Zellen). Die Gesamtlebensdauer wurde von den Liposomen wenig beeinflusst. Liposomen an sich scheinen demnach Alterungsvorgänge in S.pombe zu beeinflussen, die Zellen altern schneller, aber die Gesamtlebensdauer ändert sich nicht. Resveratrol beschleunigt scheinbar die Alterung, wenn es in Liposomen eingebettet wird.

Es stellte sich nach dieser Beobachtung die Frage, ob dieses Phänomen sich auf die Hefe be-schränkt. Daher wurde die chronologische Lebensdauer in HeLa-Zellen bestimmt. Nachdem die Zellen vollständig konfluent gewachsen waren, wurden die Zellen mit Resveratrol-beladenen Liposomen und unbeladenen Liposomen versetzt. Die Auswertung der überlebenden Zellen an den folgenden Versuchstagen ergab auch hier eine Verkürzung der Lebensdauer in Anwesenheit von Resveratrol-beladenen Liposomen. Sowohl die mittlere als auch die Gesamtlebensdauer wurden verkürzt.

Was könnte die Erklärung für diese überraschenden Ergebnisse sein?

Resveratrol ist ein Phytoalexin, das von Pflanzen zum Schutz gegenüber Pilzen gebildet wird. Eine lebensverkürzende Wirkung auf Hefen (Pilze) wäre demnach erklärbar. Jedoch kann die gegensätzliche Wirkung von in Wasser oder DMSO gelöstem Resveratrol und Resveratrol- Liposomen nicht erklärt werden. Denkbar ist hier, dass Liposomen per se einen Einfluss auf die Lebensdauer (zumindest die mittlere Lebensdauer) haben und Resveratrol diesen Effekt, z. B. durch Veränderung der Membranstruktur verstärkt [ITHH14].

Resveratrol ist gegenüber UV-Strahlung empfindlich. Die trans-Form wird dabei weitgehend in die biologisch inaktve cis-Form umgewandelt [BMCL12]. Zu diskutieren wäre, ob bei der Anwendung von in Wasser oder DMSO gelöstem Resveratrol das trans- oder cis-Isomer die bisher publizier-


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ten Effekte erzielt. Liposomen können die unerwünschte Umwandlung der inaktiven cis-Form in die aktive trans-Form unterbinden, so dass die wirksame Konzentration von trans-Resveratrol zwischen Experimenten mit gelöstem und Liposomen-ummanteltem Resveratrol nicht vergleich-bar ist. Für die genaue Klärung der Ursachen unserer Ergebnisse müssen daher weitere und detailliertere Untersuchungen durchgeführt werden.

ZusammenfassungWir konnten zeigen, dass die chronologische Lebensdauer von S.pombe und HeLa-Zellen in Anwesenheit von Resveratrol-Liposomen verkürzt wird. Dies steht im Widerspruch zu der le-bensverlängernden Wirkung von freiem Resveratrol. Die Interpretation dieser Ergebnisse braucht weitere detaillierte Untersuchungen.

DanksagungDieses Projekt wurde mit finanzieller Unterstützung des Europäischen Fonds für Regionale Ent-wicklung und dem IFAF Berlin realisiert (Y.I., S.P., L.T.). T.F., W.F. und N.S. führten Teilversuche im Rahmen eines studentischen Projekts im Masterstudiengang Life Science Engineering der HTW Berlin durch.

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AbbildungsverzeichnisAbbildung 1: Strukturformel von trans-Resveratrol (links) und cis-Resveratrol (rechts)Abbildung 2: Bestimmung der chronolgischen Lebensdauer von S.pombe (A) und HeLa-Zellen

(B). Die mittlere Lebensdauer sowie die Gesamtlebensdauer wurden in Anwesen-heit von 80 mM Resveratrolbeladenen Liposomen in S.pombe und HeLa-Zellen verkürzt.

KontaktProf. Dr. Jacqueline Franke

Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin Fachbereich 2 / Ingenieurwissenschaften – Technik und Leben Wilhelminenhofstraße 75A, 12459 Berlin

Telefon: (030) 5019-4375 E-Mail: [email protected] Internet: www.ifaf-berlin.de/projekte/ alterungsmodulator

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Biosynthese von Grundchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen – Biosynthesis of base chemicals from renewable resourcesProf. Dr.-Ing. Peter Götz1; Dr. Katja Karstens1; Dipl.-Ing. Sergej Trippel1; Prof. Dr. Antonio Marzocchella2

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Life Sciences and Technology2 Università degli Studi di Napoli Federico II

Kurzfassung

Die Produkte der chemischen Industrie sowie die Treibstoffe für individuelle Mobilität, die maß-geblich zur heutigen Lebensqualität beitragen, beruhen aktuell auf fossilen Rohstoffen. Unabhän-gig von den verschiedenen Prognosen zu deren Verfügbarkeit ist deren Endlichkeit unbestritten. Die Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation ist eine nachhaltige Möglichkeit, Grundchemikalien und Treibstoffe zu produzieren. Möglichkeiten zur Optimierung dieses Prozesses und seiner Übertragung in den industriellen Maßstab werden im Kooperationsprojekt OPTISOLV anhand experimenteller Untersuchungen und mathematischer Prozessmodellierung erforscht.

Abstract

Fossil resources are basis for products from chemical industry as well as for fuel, securing our current quality of life. Despite different predictions regarding their future availability, these re-sources are undoubtedly limited. The acetone-butanol-ethanol-fermentation (ABE-fermentation) is a sustainable process to produce these base chemicals and fuels. The cooperation project OPTISOLV aims at researching possibilities for process optimization and scale-up by experimen-tal investigations and mathematical modeling.

EinleitungDie Versorgung mit Grundchemikalien und Treibstoffen ist wegen der Endlichkeit fossiler Ressour-cen nicht gesichert. Eine nachhaltige Produktion der benötigten Substanzen muss zukünftig auf der Basis nachwachsender Rohstoffe erfolgen. Die Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation (ABE-Fermentation) ist ein Bioprozess, der diese Möglichkeit bietet. Bakterien aus der Gattung der Clostridien sind in der Lage, unter anaeroben Bedingungen aus einer Vielzahl von Substraten die genannten Lösungsmittel zu produzieren. Besonderes Merkmal dieser Biosynthese ist ihr Ablauf in zwei zeitlich getrennten Schritten, was besondere Anforderungen an die Prozessführung stellt. Deren Optimierung ist eines der Ziele des hier beschriebenen Kooperationsprojektes OPTISOLV.

HauptteilDie Verarbeitung fossiler Rohstoffe in der (petro-)chemischen Industrie hat zu Anlagen und Ver-fahren geführt, die für die Verbraucher eine Vielzahl von Produkten bereitstellen. Ziel der zu-künftig notwendigen Umstellung dieser Industriezweige auf nachhaltig zu gewinnende Rohstoffe ist die Weiternutzung der vorhandenen Infrastruktur und der in diesem Bereich bestehenden technischen Erfahrung. Die in den letzten Jahren dazu entwickelten Konzepte werden mit dem Begriff Bioraffinerie umschrieben. Ein zentraler Prozess in einer solchen Bioraffinerie kann die ABE-Fermentation sein. In Abb. 1 ist ein solches Konzept dargestellt.

Ein Vorteil der ABE-Fermentation ist die Möglichkeit, verschiedenste kohlenhydrathaltige Rest-stoffe und Abfälle als Substrat zu verwenden. Der oft kritisierte Einsatz von Futter- bzw. Nah-rungsmitteln zur Produktion von Grundchemikalien («Tank oder Teller»-Dilemma) kann hier vermieden werden. Die Nebenprodukte (CO

2, H

2, Biomasse) sind direkt oder als Substrate für


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weitere Konversionsprozesse verwertbar. Nachteile der Fermentation sind vor allem die niedrigen Ausbeuten (Batch-Prozess: 20 Gramm Lösungsmittel pro Liter), die Anfälligkeit der Clostridien für Infektionen durch Phagen sowie die Instabilität der Weitergabe der genetischen Information für die Lösungsmittelproduktion bei der Zellteilung.

Die Verwertung der primären Substrate führt z. B. bei Clostridium acetobutylicum zu Zellwachs-tum und zur Bildung organischer Säuren (Essigsäure/Acetat, Buttersäure/Butyrat). Nach Anrei-cherung dieser Säuren und einem entsprechenden Abfall des pH-Wertes beobachtet man eine Umstellung des Metabolismus der Zellen. Das für Wachstum und Säurebildung (Acidogenese) nötige Netzwerk biochemischer Reaktionen wird durch Genregulation ,abgeschaltet’ und ein Netzwerk zur Verwertung der Säuren für die Lösungsmittelproduktion (Solventogenese) sowie zur Einleitung der Sporulation wird ,eingeschaltet’. Ein exemplarischer Verlauf einer solchen Batch-Fermentation ist in Abb. 2 gezeigt.

Abb.1: Konzept einer Bioraffinerie auf Grundlage der ABE-Fermentation (nach [Zve 06])

Kohlenhydrathaltige Substrate aus nachwachsenden Rohstoffen und Abfällen, z. B.

Stärke: Biomasse aus der landwirtschaftlichen ProduktionLignocellulose: Abfälle aus der Landwirtschaft

Laktose: Abwässer der MilchwirtschaftKohlenhydrathaltige Biomasse: Schnellwachsende Mikroalgen

ABE-Fermentation

Aceton Butanol Ethanol CO2H2 Biomasse

Grundbausteine für die chemische Industrie,Lösungsmittel, Biokraftstoffe

Tiernahrungsergänzung(Vitamine),Ausgangsmaterialfür die Biogasproduktion

Technische Gase,Ausgangsstoffe fürdie biotechnolog.und chemische Produktion, H

2 als Biokraftstoff

Abb. 2: Zeitlicher Verlauf einer ABE-Batch-Fermentation mit Clostridium acetobutylicum ATCC 824


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Allgemein wird dieses Verhaltensprogramm interpretiert als Reaktion der Zellen auf die sich durch den sinkenden pH-Wert verschlechternden Umgebungsbedingungen. Ab einem gewissen Punkt wird die Sporulation eingeleitet, die stofflich und energetisch auf der Verwertung der zuvor syn-thetisierten Säuren unter Lösungsmittelbildung beruht. Als Spore ist es der Zelle dann möglich, unter widrigen Umgebungsbedingungen zu überdauern. Das biochemische Reaktionsnetzwerk des zentralen Kohlenstoffmetabolismus, das intrazellulär für die Säure- und Lösungsmittelsyn-these verantwortlich ist, ist in Abb. 3 gezeigt.

Abb. 3: Metabolisches Netzwerk des zentralen Kohlenstoffwechsels von Clostridium acetobutylicum

Obwohl die biochemischen Reaktionsnetzwerke der ABE-Biosysnthese aufgeklärt sind, fehlt bis-her das grundlegende Verständnis der Regulation dieser Vorgänge in der Zelle. Dieses Verständ-nis ist jedoch essentiell für eine Planung der Prozesssteuerung zur optimalen Nutzung des metabolischen Potentials der Zellen.

Im Verbundprojekt OPTISOLV, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der EuroTransBio-Initiative sollen in einer Kooperation italienischer und deutscher Firmen beziehungsweise Forschungseinrichtungen neue Verfahren zur kontinuierlichen Lösungsmittelproduktion entwickelt werden. Die Arbeitspakete umfassen von der Auswahl ge-eigneter Substratquellen über angewandte Systembiologie zur Optimierung der mikrobiellen Umsetzung, integrierte Produktaufarbeitung bis zur Abwasserbehandlung alle notwendigen Pro-zessschritte. Im Teilprojekt an der Beuth Hochschule für Technik Berlin steht dabei die Entwick-lung eines kontinuierlichen Fermentationsverfahrens im Mittelpunkt. Die in Abb. 2 dargestellten zeitlich aufeinanderfolgenden Phasen des Metabolismus (Acidogenese und Solventogenese) in einem Batch-Prozess lassen sich für ein kontinuierliches Verfahren prinzipiell auf eine Kolben-strömung im Rohrreaktor (PFR) übertragen.

Untersuchungen zur Dynamik des Metabolismus von Clostridium acetobutylicum ATCC 824 in Batch-Reaktoren und in einstufigen kontinuierlichen Rührreaktoren (CSTR) deckten das Poten-tial einer Prozessbeeinflussung durch Dosierung von Substraten und Metaboliten auf [Jun 10]. Es konnten sowohl der durch Regulation gesteuerte zeitliche Ablauf als auch die Stoffflüsse im Metabolismus der Zellen gezielt beeinflusst werden. Um diese Effekte für eine Prozessopti-mierung nutzen zu können, wird im Forschungsprojekt OPTISOLV an der Beuth Hochschule für Technik Berlin mit einer Kaskade kontinuierlicher Rührkesselreaktoren gearbeitet. Diese Reak-torkonfiguration stellt reaktionstechnisch einen Kompromiss zwischen einem CSTR und einem PFR dar (Abb. 4).

LACTAT PYRUVAT

GLUCOSE

ACETOIN

ACETYL-CoA

Fd-Ox NAD+ NADH

H2 Fd-Red

NAD+ NADH

ETHANOL ACETALDEHYD

NAD+ NADH NAD+ NADH

BUTYRALDEHYD BUTANOL

NAD+ NADH NAD+ NADH BUTYRYL-CoA BUTYRAT

ACETAT

ACETOACETYL-CoA

ADP ATP

ADP ATP

ADP ATP

Acidogenese

ACETON

Solventogenese


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Eine ähnlich aufgebaute Anlage wurde im industriellen Maßstab in der UdSSR in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts betrieben [Zver 06]. Funktionsprinzip dieser Konfiguration ist die Kon-version der zugeführten Substrate in den ersten Reaktoren der Kaskade zu organischen Säuren und deren Umwandlung in den folgenden Reaktoren in das erwünschte Produkt Lösungsmittel.

Für die geplanten Arbeiten im Projekt OPTISOLV hat diese Reaktorkonfiguration die folgenden Vorteile:

■ Die räumliche Trennung der metabolischen Leistungen erlaubt eine Untersuchung der entsprechenden mikrobiellen Populationen.

■ Eine Änderung der einzelnen Reaktorvolumina in der Kaskade ermöglicht verschiedene an die biochemischen Reaktionen angepasste Verweilzeiten.

■ Die Dosierung von Substraten oder Produkten kann in verschiedenen Stufen der Kaska-de erfolgen und ihr Einfluss auf die Regulation der Zellen beobachtet werden.

■ Eine Vernetzung der Reaktoren, z. B. die Rückführung eines lösungsmittelhaltigen Teil-stromes vom Ende der Kaskade an den Anfang (z. B. zur beschleunigten Induktion der Solventogenese) ist möglich.

Anhand dieser methodischen Ansätze soll die ABE-Fermentation in einer Reaktorkaskade cha-rakterisiert, quantifiziert und optimiert werden. Erste Ergebnisse zum Betrieb der in Abb. 4 gezeigten Kaskade sind in Abb. 5 gezeigt. Anlagen- und Betriebsparameter sind: Alle Reaktoren haben das gleiche Volumen, die Verdünnungsrate der Reaktoren ist jeweils D=0.25 h-1, im ersten Reaktor ist die Glukosezulaufkonzentration 60 g/l und der pH-Wert 5,6.

Feed

pH-co

ntro

l

N2 N2 N2 N2N2

Abb. 4: Rührkesselkaskade zur kontinuierlichen ABE-Fermentation

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

0.00

1 .00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

Bioreaktor 1 Bioreaktor 2 Bioreaktor 3 Bioreaktor 4 Bioreaktor 5

Glu

kose

konz

entr

atio

n [g

/L]

Säur

en-u

nd Lös

ungs

mitte

lkon

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ration

[g/L

]

Aceton [g/L]

Ethanol [g/L]

n-Butanol [g/L]

Essigsäure [g/L]

Buttersäure [g/L]

Glukose [g/L]

Abb. 5: Substrat- und Produktkonzentrationen in den Reaktoren einer fünfstufigen Reaktorkaskade (vgl. Abb. 4, Mittelwerte von 7 Messungen innerhalb von 141 h, quasistationär)


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Die Acidogenese im Bioreaktor 1 und die Wiederaufnahme der Säuren zur Solventogenese in Bioreaktor 2-4 ist gut erkennbar. Zwischen Bioreaktor 4 und Bioreaktor 5 sind keine signifikan-ten Unterschiede festzustellen, anscheinend finden in Bioreaktor 5 keine weiteren Umsetzungen statt. Die aktuellen Ausbeuten in der Kaskade (5,3 g/l Butanol) liegen derzeit unter den im Batch-Prozess erreichten Ausbeuten (ca. 10 g/l, vgl. Abb. 2). Dies kann durch die höheren Säurekonzen-trationen im Ablauf der Kaskade erklärt werden, die Konversion der Säuren zu Lösungsmitteln ist im Batch-Prozess höher. Möglicherweise ist der vollständige Abbau der Glukose im Bioreaktor 4 der Kaskade die Ursache für die fehlende Säureverwertung in Bioreaktor 5. Über eine kontinu-ierliche Glukosefütterung in Bioreaktor 5 könnte diese Hypothese überprüft und möglicherweise die Butanolausbeute gesteigert werden.

Eine mathematische Modellierung der Bioreaktorkaskade über Stoffbilanzen soll nun Auskunft ge-ben über die Stoffflüsse, die von Substrat und Zwischenprodukten zu den Lösungsmitteln führen.Anhand dieser ersten Quantifizierung können weitere Experimente zur Erhöhung der Ausbeute und der Produktivität geplant werden. Die folgenden Einflussgrößen sind dabei zu untersuchen: Verdünnungsraten (über Fließrate und Reaktorvolumina), pH-Wert, Zahl der Bioreaktoren in der Kaskade, Zufütterung (z. B. Glukose in Bioreaktor 5) sowie Vernetzungen innerhalb der Kaskade. Die hieraus resultierende Vielzahl von möglichen Experimenten soll durch eine begleitende ma-thematische Modellierung des Systems eingegrenzt werden. Eine Anwendung systembiologischer Methoden reduziert den experimentellen Aufwand durch den zyklischen Ablauf von Generationen von Hypothesen, mathematischer Modellierung/Modellerweiterung, Planung von Experimenten und experimenteller Modellvalidierung. „Nebenprodukt“ dieser systematischen Vorgehensweise bei der Planung der experimentellen Arbeiten ist ein Prozessmodell auf der Grundlage einer ma-thematischen Beschreibung der Zellen, das die für scale-up und Prozessführung im industriellen Maßstab notwendige Information zur Verfügung stellt.

Das mathematische Modell für die Bioreaktorkaskade muss sowohl die Substrat-/ Produktkon-zentrationen in den einzelnen Reaktoren (Umgebungsbedingungen) und den physiologischen Zustand der Zellen unter diesen jeweiligen Umgebungsbedingungen als auch den Transport der Substrate/Produkte und der physiologisch verschiedenen Zellen zwischen den Bioreaktoren der Kaskade beschreiben. Als mathematische Methode wird für die physiologisch unterschiedlichen Populationen eine agentenbasierte Modellierung verwendet, bei der die Populationen durch den Transport in der Kaskade unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden, ihren Metabolismus an neue Bedingungen anpassen und so schließlich zu Substratverbrauch und Produktbildung beitragen.

ZusammenfassungDie mikrobielle Aceton-Butanol-Ethanol-Synthese wird im Rahmen des Kooperationsprojektes OPTISOLV an der Beuth Hochschule für Technik Berlin mit Methoden der angewandten System-biologie experimentell untersucht und mathematisch beschrieben. Ziel ist die Optimierung eines kontinuierlichen Produktionsverfahrens von Lösungsmitteln aus nachwachsenden Rohstoffen.

Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 031A231C gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.


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[Jun 10] Junne S: Stimulus response experiments for modelling product formation in Clostridi-um acetobutylicum fermentations, Dissertation TU Berlin, 2010


Abbildung 1: Konzept einer Bioraffinerie auf Grundlage der ABE-Fermentation (nach [Zve 06])

Abbildung 2: Zeitlicher Verlauf einer ABE-Batch-Fermentation mit Clostridium acetobutylicum ATCC 824

Abbildung 3: Metabolisches Netzwerk des zentralen Kohlenstoffwechsels von Clostridium acetobutylicum

Abbildung 4: Rührkesselkaskade zur kontinuierlichen ABE-Fermentation

Abbildung 5: Substrat- und Produktkonzentrationen in den Reaktoren einer fünfstufigen Reaktorkaskade (vgl. Abb. 4, Mittelwerte von 7 Messungen innerhalb von 141 h, quasistationär)

KontaktProf. Dr.-Ing. Peter Götz

Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich V / Life Sciences and Technology Seestraße 64, 13347 Berlin


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N-glycosylation profile of the soluble F protein from respiratory syncytial virus expressed in different cell linesDr. Grit Sandig1; Prof. Dr. Hans Henning von Horsten2; Dr. Veronique Blanchard3; Lars Radtke, M.Sc.4; Prof. Dr. Marcus Frohme4; Dr. Volker Sandig5; Prof. Dr. Stephan Hinderlich1 1 Beuth University of Applied Sciences Berlin, Department of Life Sciences and Technology, Berlin2 Hochschule für Technik und Wirtschaft, Department of Life Science Engineering, Berlin3 Charité - Universitätsmedizin Berlin, Institute of Laboratory Medicine, Clinical Chemistry an Pathobiochemistry, AG Glycoanalytics, Berlin4 Technical University of Applied Sciences Wildau, Molecular Biotechnology and Functional Genomics, Wildau5 Probiogen AG, Berlin

Kurzfassung

Das humane Respiratorische-Synzytial-Virus (RSV) ist eine der Hauptursachen für Atemwegser-krankungen. Da noch kein effektives Vakzin verfügbar ist, versuchen wir die immunogene Wir-kung des RSV-Fusions-Glykoproteins (RSF-F) durch die Nutzung unterschiedlicher Glykosylierung als Adjuvatien zu steigern. Das RSV-F-Protein wurde in verschiedenen Zellinien exprimiert, das Glykosylierungsmuster charakterisiert. Die immunogenen Eigenschaften werden im künstlichen Lymphknoten getestet.

Abstract

Human respiratory syncytial virus (RSV) is one of the main causes of respiratory tract infections. Since there is no effective vaccine on the market yet, we were trying to improve the immunogen-ic abilities of the RSV fusion glycoprotein (RSV-F) by using different glycosylation as adjuvants. The RSV-F protein has been expressed in different cell lines, the glycosylation pattern of the proteins characterized. The immunogenic properties will be tested in the artificial lymph node system.

IntroductionVaccine development is a major goal in medical research. One approach is the vaccination by recombinantly produced viral proteins, often combined with adjuvants. Specific glycosylation of a protein may support its immune reaction [Avi 11]. This approach combines immunogenic and adjuvant properties in the same antigen. Different immunogenic forms of glycosylation can be obtained by using natural non-human cellular systems for vaccine production or incorporation of artificial glycans.

Main part The development of specific recombinant protein vaccines first requires the selection of an appropriate protein. The RSV virus contains two major surface glycoproteins, RSV-F and RSV-G, often used for the generation of vaccines (Fig 1A). RSV-F protein itself acted in the past as an effective vaccine but did not induce long-term immunogenicity [Gro 11]. A codon optimized RSV-F gene has therefore been designed to generate an easy to produce soluble protein. Com-pared to the original RSV-F membrane protein the transmembrane domain has been truncated and a mellitin signal sequence was added for secretion especially in insect and mammalian cells (Fig 1B). For purification a hexa-His-tag and a factor Xa cleavage site were introduced.


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Fig. 1: Scheme of the Respiratory Syncytial Virus (RSV) (A); structure of the original transmembrane RSV-F Protein (B) and modifications of the recombinant protein for RSV-F vaccine production (C).

Both consensus sequences for Furin cleavage have been conserved resulting in the loss of a 27aa peptide including two N-glycolsylation sites comparable to the original protein (Fig 1C). The final RSV-F protein should be digested by Furin protease in the Golgi apparatus when it is processed for secretion. Therefore the resulting optimized protein should be soluble, secreted, processed and could be purified by Ni-NTA chromatography.

A B

C

After cloning of the synthetic RSV-F gene into specific vectors for different systems (Fig. 2A) the expression of the RSV-F protein was tested on the protein level using different comercially avai-lable antibodies. The correct Golgi processing via the Golgi apparatus resulted in two subunits of the protein linked via a disulfide bond (Fig. 2B). Whereas the recombinant protein could be detected, an original commercially available RSV-F protein did not give a signal in western blot-ting (Fig. 2C). The best antibody signal was obtained using an anti-His-antibody, which was used for further experiments as well.

Fig. 2: RSV-F protein expression and detection, construction of protein expression vectors for different cellular systems (A), antibody detection pattern and predicted fragment size under reducing conditions (B). The soluble RSV-F protein has been identified in the supernatant of transfected CHO cells (C) by western blotting with different specific antibodies against the F1 domain and the His-Tag. Isolated RSV from infected human tissue was used as a positive control (K+).

A B C


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For further experiments the RSV-F proteins expressed in CHO cells (Fig. 3A), SF9-insect cells (Fig. 3A) and human HEK293 cells (data not shown) have been purified using Ni-NTA chromato-graphy. Since antibodies were only able to detect the F1 subunit (Fig. 2B), the correct processing of the protein and the furin cleavage could be determined by reducing conditions in western blot analysis (Fig. 3B). While the full length protein F0 was detected under non-reducing condi-tions, reduction of the protein resulted in detection of the F1 subunit exclusively. Since the RSV-F protein contains three consensus sequences for N-glycosylation, the glycosylation status of the protein was confirmed by N-Glycosidase F (PNGaseF) treatment, followed by size reduction in SDS-PAGE anaylsis (Fig. 3C).

Fig. 3: Purification of RSV-F protein from CHO supernatant by Ni-NTA chromatography was detected by western blotting, using anti-His antibody (A), control of correct processing (Furin cleavage) by reducing and non-reducing conditions (B) and control of protein glycosylation by PNGase F digest (C).

A B C

Analysis of the N-Glycans of the three differentially expressed RSV-F proteins by MALDI-TOF mass spectrometry showed strong variations in the glycan patterns. Protein expressed in Sf9 insect cells mainly contains fucosylated core-glycans, which are typically for insect cells (Fig. 4A). Pretreatment of the N-glycans by fucosidases (not shown) revealed that this core fucosylation is α1,6 linked, but not the allergic α1,3-linked fucose found in insect bee venom [Tre 93]. N-glycans in RSV-F from human HEK293 cells are mainly triantennary nonsialylated and nonfucosylated structures (Fig. 4B) in contrast RSV-F protein purified from CHO cells contains fucosylated and sialylated bi- and triantennary structures (Fig 4C). These difference was already observed for other recombinant proteins expressed in the two cell lines [Gau 08].

Fig. 4: N-Glycan pattern of RSV-F Protein expressed in SF9 insect cells (A), Hek 293 human embryonic kidney fibroblasts (B) and CHO Chinese hamster ovary cells (C) by MALDI-TOF-MS

A

B

C

Immunigenicity of glycan structures differs according to galactosylation, fucosylation, antennary and the glycosidic linkages. Sialylation degree of a therapeutic glycoprotein affects its immu-nogenic properties as well as its serum half life [Bor 09]. The CHO-RSV-F protein expressed in a


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production cell line should therefore be the most stable of the three investigated RSV-F proteins. To determine the immunological properties of the different glycans of the RSV-F protein they will be tested in a new artificial lymph node system. For the case of low immunogenicity of the presently available RSV-F glyco-variants introduction of monosaccharides exclusive for non-verte-brate species into the established mammalian expression systems are planned.

SummaryIn this study the RSV-F cDNA has been modified for expression of a soluble protein suited for vaccine generation. It was cloned into three different vectors for efficient expression in insect (Sf9) cells, CHO and HEK293 cells. All three recombinant RSV-F proteins were glycosylated and correctly processed into covalently linked F2 and F1 polypeptides. Glycan analysis of purified proteins was performed by MALDI-TOF mass spectrometry. The N-glycosylation profile of RSV-F was different among the three expression systems. In principle it matched with the usual pattern for the host organisms of the cells. In insect cells only paucimannosidic structures were found. CHO cell-derived RSV-F displayed a more complex N-glycan pattern compared to RSV-F from HEK293 cells, including highly sialylated tetraantennary structures. The immunogenic properties of the resulting proteins will be tested in the artificial lymph node system in cooperation with Probiogen AG in the future.

References[Avi 11] Avici, FY et al.: A mechanism for glycoconjugate vaccine activation of the adaptive immune

system and its implications for vaccine design, Nature Medicine 17:1602-9, 2011[Gau 08] Gaudry JP et al.: Purification of the extracellular domain of the membrane protein

GlialCAM expressed in HEK and CHO cells and comparison of the glycosylation, Protein Expr Purif 58:94-102, 2008

[Gro 98] Groothuis JR et al.: Safety and Immunogenicity of a Purified F Protein Respiratory Syncytial Virus (PFP-2) Vaccine in Seropositive Children with Bronchopulmonary Dysplasia, J Infect Dis 177:467-9, 1998

[Bor 09] Bork K et al.: Increasing the sialylation of therapeutic glycoproteins: the potential of the sialic acid biosynthetic pathway. J Pharm Sci 98:3499-508, 2009

[Tre 93] Tretter V et al.: Fucose alpha 1,3-linked to the core region of glycoprotein N-glycans creates an important epitope for IgE from honeybee venom allergic individuals, Int Arch Allergy Immunol 102:259-66, 1993

List of figuresFigure 1: Respiratory Syncytial Virus Figure 2: RSV-F protein expression and detection Figure 3: Purification of RSV-F protein Figure 4: N-Glycan pattern of RSV-F Protein

KontaktProf. Dr. rer nat. habil. Stephan Hinderlich

Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich V / Life Sciences und Technology Seestraße 64, 13347 Berlin

Telefon: (030) 4504-3910 E-Mail: stephan.hinderlich@ beuth-hochschule.de

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Investigation of a novel human cell line for recombinant glycoprotein expressionJulia Rosenlöcher, M.Sc.1; Constanze Weilandt, B.Sc.1; Marion Bayer1; Dr. Véronique Blanchard2; Dr. Stefan O. Reinke1; Prof. Dr. Stephan Hinderlich1

1 Beuth University of Applied Sciences, Department of Life Siences and Technology, Berlin, Germany2 Charité - Universitätsmedizin Berlin, Institute of Laboratory Medicine, Clinical Chemistry and Pathobiochemistry, Glycoanalytics, Berlin, Germany

Kurzfassung

Der Bedarf an therapeutischen Glykoproteinen ist in den letzten Jahren ständig gewachsen. Hu-mane Zellsysteme für die Expression rekombinanter Glykoproteine sind daher erforderlich. Wir haben die adhärente Rhabdomyosarkom-Zelllinie TE671 auf optimale Transfektionsbedingungen hin untersucht und konnten hohe Expressionsraten für ein Modellglykoprotein erreichen. Die N-Glykananalyse des gereinigten Glykoproteins ergab komplexe und hochsialylierte Strukturen.

Abstract

The demand of therapeutical glycoproteins increased notably within recent years. Therefore, hu-man cell systems for recombinant protein expression are required. We investigated the adherent rhabdomyosarcoma cell line TE671 for optimization of the transfection procedure and succeeded in high expression rates for a selected model glycoprotein. N-glycan analysis of this purified glycoprotein revealed complex and highly sialylated structures.

IntroductionGlycans and their carbohydrate composition significantly affect the serum half-life, solubility as well as biological activity of biopharmaceuticals. The terminal sugars of these oligosaccharide chains (Figure 1) play major structural and functional roles. The use of human cell expression systems may evade the synthesis of non-human glycan structures and consequently the antige-nicity of recombinant glycoproteins. Though, not only the underlying species but also cell-type specificity of glycosylation has an impact on the final product quality, wherefore the establish-ment of novel human cell lines has to be pursued.

Fig. 1: Schematic illustration of a complex-type N-glycan. The terminal monosaccharides, sialic acid and fucose, of an exemplary N-glycan are highlighted.


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Main PartTE671 cells were described by McAllister et al. in 1977[1] and subsequently characterized as a cell line with rhabdomyosarcoma origin[2]. So far, the main fields of application comprise the investigation within tumorigenicity studies as well as the characterization of their acetylcholine receptors[3,4]. To consider TE671 cells for recombinant glycoprotein expression, we initially ana-lyzed the state of their cell surface glycoproteins forming the glycocalyx.

The isolated TE671 membrane proteins underwent tryptic digestion into glycopeptides followed by an enzymatic N-glycan release (N-glycosidase F). Purified and desalted N-glycans were per-methylated and subsequently analyzed by MALDI-TOF mass spectrometry (Figure 2). The re-sulting N-glycan mass spectrum shows a high sialylation degree of complex-type N-glycans characterized by partially or even completely sialylated structures. Bi-, tri-, tetra- up to pentaan-tennary N-glycans could be detected.

Based on these promising insights into the TE671 glycosylation potential in terms of cell sur-face proteins, we aimed to investigate the N-glycan profile on protein level of soluble and recombinant model glycoproteins. Thereby, the 52-kDa human protease inhibitor alpha-1-anti-trypsin (A1AT) was focused due to its therapeutical importance regarding the hereditary A1AT deficiency disease which manifests commonly with liver cirrhosis and emphysema. To date, several augmentation therapy preparations are approved by the United States Food and Drug Administration (FDA) – all of them derived from pooled A1AT out of human plasma[5]. No ap-proval of a recombinant A1AT variant is documented so far although numerous research ap-proaches were followed in several hosts such as Sf9 insect cells[6] or the yeast Saccharomyces[7].

Fig. 2: N-glycosylation profile of TE671 cell membrane glycoproteins. A] MALDI-TOF mass spectrum of permethylated N-glycans. B] Summarized levels of sialylation (left circle) and fucosylation (right circle) based on the relative peak areas of all hybrid- and complex-type structures shown in A].

A B


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In this regard, major challenges describe the A1AT protein stability or rapid clearance from the circulation due to absent or altered glycosylation.

Accomplishing a recombinant expression of A1AT in TE671 cells, we first of all faced the chal-lenge of efficient cell transfection. Transient transfection experiments and their evaluation within Western blot analyses were comparatively performed using a standard transfection reagent and a low-toxic commercial product (Figure 3A). The increased A1AT expression rate was related to the lower cellular toxicity, which could be confirmed by fluorescence microscopy of TE671 cells subsequent to an independent DNA transfection of the green fluorescent protein (Figure 3B).

Fig. 3: Transient transfection of TE671 cells using two different transfection reagents.A] Western blot analysis after transfection of A1AT plasmid DNA. B] Fluorescence microscopy of TE671 cells subsequent to transfection and expression of the green fluorescent protein (GFP) compared to an untreated control culture; 20x magnification.

A B

In terms of TE671 cell sensitivity, transfection, efficiency and transient A1AT expression rate, the low-toxic reagent AppliFect LowTox (AppliChem GmbH) was chosen for further process optimiza-tion. Varying the ratio of DNA to transfection reagent, the conditions for complex formation or the time for cell seeding prior transfection, we developed a tailored protocol for TE671 transfec-tion with A1AT plasmid DNA.

In terms of biopharmaceutical manufacturing, one major challenge and legal requirement is the verification of a throughout serum-free production process since the supplementation of fetal calf serum (FCS) is an ethical controversial issue. However, FCS may crucially influence cellular behaviour (e.g. growth, morphology) or even affect recombinant protein expression, wherefore an adaption to serum-free conditions was required. We initially compared three commercial se-rum-free media, which, in fact, were originally developed for the cultivation of the PER.C6 cell line (AEM), myeloma and hybridoma cells (H4000) or CHO cells (C6000). An equal mixture of H4000 and C6000 provided much better conditions for TE671 growth than the particular single media or AEM. Besides cell growth and morphology the level of recombinant protein expression was of paramount interest and could be monitored by Western blot analyses. Figure 4 docu-ments the successful maintenance of recombinant A1AT expression in TE671 cells during FCS reduction. Accordingly, we used the medium mixture of H4000/C6000 for further serum-free A1AT expression.

Fig. 4: Western blot analysis of A1AT monitors recombinant protein expression during TE671 adaption to serum-free culture conditions.


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Fig. 5: N-glycosylation profile of A1AT expressed in TE671 cells under serum-containing conditions in DMEM + 10 % FCS (upper graph) or in serum-free H4000/C6000 (lower graph). A, C] MALDI-TOF mass spectra of permethylated N-glycans. B, D] Summarized levels of sialylation (left circle) and fucosylation (right circle) based on the relative peak areas of all hybrid- and complex-type structures shown in A] or C], respectively.

A B

C D

Cell supernatants showing adequate levels of recombinant protein production were referred to manual affinity chromatography purification utilizing the 6xHistag of A1AT. Pure A1AT samples were subsequently referred to N-glycan analysis as described for the TE671 cell membrane proteins above. The resulting N-glycan mass spectra of A1AT (Figure 5) significantly differ de-pending on the particular cell culture conditions. Protein expression in FCS-containing medium (Figure 5A,B) caused highly sialylated and preferably non-fucosylated N-glycan structures mainly bearing three antennae. In contrast, the N-glycan profile of a serum-free TE671 A1AT culture (Figure 5C,D) exhibits a much higher structure variety characterized by a significant decrease in N-glycan sialylation and molecule antennarity as well as an increase of fucose binding.

Impressively, the presented TE671 data prove the structural diversity and variability of glyco-sylation which impedes the manufacturing process of potential biopharmaceuticals as well as the assurance of a consistent product glycosylation. Since sialylation of recombinant proteins is known to crucially affect the serum half-life and consequently the pharmacologic product effici-ency[8], highly sialylated glycans are usually requested.

Our data clearly illustrate the ability of human TE671 cells to synthesize sialylated and complex-type N-glycans on their cell surface as well as on the recombinantly expressed model protein A1AT. However, in terms of therapeutical applications FCS as a cell culture supplement has to be replaced by the use of defined serum-free media formulations.


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SummaryThe human muscle-derived cell line TE671 possesses the cellular machinery to build up sialylated complex-type N-glycan structures, which could be demonstrated by means of the N-glycosylation profile of their cell membrane glycoproteins. Thereby, the fundamental requirement regarding the TE671 glycosylation potential was fulfilled. The optimization of the cell transfection procedure and the serum-free expression succeeded for model glycoprotein alpha-1-antitrypsin (A1AT). N-glycan analyses of purified A1AT by MALDI-TOF-MS revealed strong distinctions – in particu-lar for N-glycan sialylation as well as fucosylation – depending on the cell culture conditions. Prospectively, the recombinant expression of other therapeutical relevant glycoproteins in human TE671 cells is pursued to affirm and evaluate the presented A1AT results.

Literature[1] McAllister, R.M. et al.: Establishment of a human medulloblastoma cell line, International

Journal of Cancer 20:206-12, 1977[2] Stratton, M.R. et al.: Characterization of the human cell line TE671, Carcinogenesis

10:899-905, 1989[3] Parada-Turska, J. et al.: Antiproliferative activity of parthenolide against three human cancer

cell lines and human umbilical vein endothelial cells, Pharmacological Reports 59:233-7, 2007

[4] Liu, C.-N. et al.: Telithromycin blocks neuromuscular transmission and inhibits nAChR cur-rents in vitro, Toxicology Letters 194:66-9, 2010

[5] Mohanka, M. et al.: A review of augmentation therapy for alpha-1 antitrypsin deficiency, Expert Opinion on Biological Therapy 12:685-700, 201.

[6] Chang, G.-D. et al.: Improvement of glycosylation in insect cells with mammalian glycosyl-transferases, Journal of Biotechnology 102:61-71, 2003

[7] Kwon, K.-S. et al.: Purification and characterization of α1-antitrypsin secreted by recombi-

nant yeast Saccharomyces diastaticus, Journal of Biotechnology 42:191-5, 1995[8] Fukuda, M.N. et al.: Survival of recombinant erythropoietin in the circulation: the role of

carbohydrates, Blood 73:84-9, 1989

List of FiguresFigure 1: Schematic illustration of a complex-type N-glycan.Figure 2: N-glycosylation profile of TE671 cell membrane glycoproteins. Figure 3: Transient transfection of TE671 cells using two different transfection reagents. Figure 4: Western blot analysis of A1AT monitors recombinant protein expression during TE671 adaption to serum-free culture conditions. Figure 5: N-glycosylation profile of A1AT expressed in TE671 cells under serum-containing conditions in DMEM + 10 % FCS (upper graph) or in serum-free H4000/C6000 (lower graph).

KontaktProf. Dr. rer nat. habil. Stephan Hinderlich

Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich V / Life Sciences und Technology Seestraße 64, 13347 Berlin

Telefon: (030) 4504-3910 E-Mail: stephan.hinderlich@ beuth-hochschule.de

Julia Rosenlöcher is a scholarship holder of the SONNENFELD foundation.

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Theatrale Orte in Berlin: ephemere Architektur – transitorische Räume – kulturelle WerkzeugeKartographie theatraler Räume in Zusammenarbeit mit dem Internetportal: The Observatory of Scenic Spaces – www.observatori.liquidmaps.org

Prof. Dr.-Ing. Bri Newesely1

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Maschinenbau, Veranstaltungstechnik, Verfahrenstechnik

Kurzfassung:

Das Theater verändert sich ständig, in Interaktion mit dem städtischen Gefüge. Die Frage nach dem Ort des Theaters, verbunden mit den Formen der europäischen Stadt, steht historisch ge-wachsen im Zusammenhang mit dem öffentlichen Raum und dessen Nutzung. Inwieweit ist – zu Beginn des XXI. Jahrhunderts – das Theater in der Lage, als Kunstform und physischer Ort, als öffentliche Dienstleistung und soziale Praxis, mit der Stadt zu interagieren und als wesentlicher Faktor seine Einzigartigkeit zu behaupten.

Abstract:

The theater is endless, constantly taking new faces, as the town. The question of the place of the theater, combined with the shape of the city, resonates strongly in today’s changing world. Aim of this project is to know whether the theater as an art and a place, a public service and a social practice, is able at the beginning of XXI century to regain a major position, lost in the second half twentieth century due to several factors.

Abb. 1: Theatrale Orte in Berlin 2012


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Die Stadt im einundzwanzigsten JahrhundertFaktoren wie das Kino zu Beginn des XX. Jahrhunderts, das Fernsehen und jetzt das Internet kön-nen nicht die Notwendigkeit der Interaktion vor Ort ersetzen. Moderne Theaterformen investieren heute mehr denn je, um es unersetzlich zu machen, um an seinen Ursprung in der griechischen Etymologie zu erinnern: theatron – der physische Ort, von dem man sehen kann (real und virtu-ell), hören – und handeln. Neue Lebensstile, neue Sensibilitäten, neue Technologien, neue Hori-zonte – die Städte des XXI. Jahrhunderts erfordern neue künstlerische und bürgerliche Praktiken und verändern die uns bekannten Methoden. Viele Indikatoren zeigen in der Bevölkerung einen neuen Appetit auf das Theater, vor allem in der Jugend [1].

Kartographie theatraler Räume Das «Observatory of Scenic Spaces» ist ein Forschungszusammenschluss, dessen Ziel es ist, die vielfältige Landschaft theatraler und performativer Orte – auch im öffentlichen Raum – zu untersuchen und in Bezug zu den Darstellenden Künsten, der Architektur sowie zum Städtebau zu stellen. Hervorgegangen aus der Universidad Polytecnica de Catalunya, der Euskal Herriko Unibertsitatea, der École National Supérieur d’Architecture de Nantes, der Beuth Hochschule für Technik Berlin und der Technischen Universität Berlin, starten wir nun ab 2014 in Zusam-menarbeit mit liquidMaps eine internationale offene Plattform im Internet: www.observatori.liquidmaps.org [2].

Als interaktive Plattform bietet liquidMaps.org ein Diagramm der darstellenden Künste und ihren kreativen Clustern, eine umfangreiche und intensive Reise durch eine Reihe von konzeptuellen Karten zu den physischen Kulturstätten und den immateriellen Theatern, zusammen mit interna-tionalen Forschungseinrichtungen, wie zum Beispiel dem Architekturmuseum der TU Berlin: Seit etwa 60 Jahren lagern in der Technischen Universität Berlin Planmappen zu 317 europäischen Theaterbauten – die erschlossen und digitalisiert werden sollen, um die Daten zusammen mit einer Georeferenzierung in das Online-Archiv des Architekturmuseums und in oben beschriebene Plattform einzubinden. Das vorgefundene Material spiegelt in einzigartiger Weise den Status quo der Theaterbaulandschaft, wie ein singulärer Schnitt weniger Jahre (1940-41) als Bestands-aufnahme nach den visionären Entwicklungen der 20er Jahre und dem Rückbau während des Faschismus [3]. Die kulturellen Errungenschaften bis 1933 sollen neu bewertet werden, um nach der Zäsur des Nationalsozialismus eine Brücke zum Umgang mit heutigen Spielstätten zu schla-gen, mit dem Ziel, im Zusammenhang von Baugeschichte, Bühnentechnik und Szenographie über innovative theatrale Räume zu reflektieren und für kreative Prozesse der Gegenwart nutzbar zu machen.

Abb. 2: Theater des Volkes – Großes Schauspielhaus Berlin [4]


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Die Kulturgeschichte des europäischen Theaters zeigt, dass seit der griechischen Antike das Spiel auf der Bühne vor Publikum einen großen gesellschaftlichen Wert darstellt, der, verbunden mit Unterbrechungen, Bedeutungswandel und Verboten bis heute anhält. Theater entfaltet sich aber vornehmlich in der Dialektik von Spielen und (Zu-)Schauen. Die Wahrung der Differenz, der Unterscheidung nämlich von Spielen und Zuschauen, sichert dem Theater seine utopische Dimension. Mit den technischen, künstlerischen und sozialen Veränderungen zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts konnten so auch andere räumliche Anordnungen als das Konfrontati-onsprinzip möglich werden. Deshalb waren die Regisseure, mehr noch als die Architekten, die treibende Kraft bei Veränderungen des Theaterraums. Allerdings gestalteten sich die von ihnen vorgebrachten Vorschläge sehr unterschiedlich und reichten von Inspirationen zu der riesigen Arena mit veränderbarem Proszenium, wie beispielsweise das Große Schauspielhaus von Max Reinhardt und Hans Poelzig bis zum kleinen Auditorium ohne Bühnenrahmen [5].

Abb. 3: Theater am Schiffbauerdamm und Friedrichstadtpalast Berlin

1919 wurde das Große Schauspielhaus, der spätere Friedrichstadtpalast, in Berlin eröffnet, das der österreichische Regisseur und Theatergründer Max Reinhardt (1873-1943) nach Plänen von Hans Poelzig aus dem ehemaligen Zirkus Renz errichten ließ. Vor allem hier entwickelte er durch kraftvolle Inszenierungen und ein gezieltes Zusammenwirken von Bühnenbild, Sprache, Musik und Tanz für das deutschsprachige Theater eine neue Dimension, den neuen Stil der Massenregie mit aufwändiger Bühnenmaschinerie und viel Einsatz der Drehscheibe [6].

Weitaus stärker als die meisten Theaterleute seiner Zeit war Max Reinhardt am Medium Film interessiert. Im Großen Schauspielhaus mit 5000 Plätzen beeindruckte er ein Massenpublikum durch großräumige Arrangements vor einem Rundhorizont und durch die ausgiebige Nutzung der Bühnenmaschinerie, durch das Spiel auf einer Arenabühne und einer riesigen Drehbühne. Die im deutschsprachigen Raum realisierten Theaterbauten zeigen nun immer mehr Möglichkeiten, die dem szenischen Spiel Entfaltungsraum bieten. Die Maschinerie der Theatertechnik unterstreicht den performativen Charakter des Raumes, als Konzept einer ephemeren Architektur funktioniert die Bühne wie ein bewegter Raum auf Zeit [7]. Für die „Theaterhauptstadt“ Berlin wäre eine über-sichtliche Kartografierung und geschichtliche Einordnung von großer Bedeutung, ganz besonders für die Auseinandersetzung mit dem aktuellem Theaterbau und dessen Weiterentwicklung.

Das zeitgenössische Theater ist schwer zu fassen und wechselhaft, wie eine Flüssigkeit (liquid), so dass wir uns fragen müssen, ob diese kreativen Prozesse einer Kartographie entsprechen können; wie sie mit dem physischen Ort des theatralen Raumes verknüpft sind und auf anderen Ebenen interagieren. liquidMaps.org wirft diese Fragen auf, und antwortet mit einer virtuellen


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Plattform, um dieses Netzwerk wie „kommunizierende Röhren“ herzustellen und die gegenseiti-ge Sichtbarkeit, das Engagement und die Schnittstellen zwischen Zentren und Schöpfern, Unter-nehmen und Festivals, Darstellern und Institutionen zu zeigen, und von diesen einen Austausch mit den Internet-Benutzern zu ermöglichen, und umgekehrt [8].

Wir starten damit, eine besondere Internet-Struktur zu entwickeln, speziell um die theatralen Orte Berlins mit ihren Umbauten, Zerstörungen, Anpassungen und Umnutzungen angemessen einzubinden, beginnend mit dem Großen Schauspielhaus, verknüpft mit weiteren Aspekten wie beispielsweise die Ideen des Regisseurs Max Reinhardt, die visionären Theaterprojekte Hans Poelzigs, oder der sehr vielfältigen Baugeschichte der Parzelle «Am Zirkus 1».

Abb. 4: Das große Welttheater, Hebbel am Ufer / raumlabor Berlin 2012

Theater als materielle Architektur und immaterielle StrukturDas Theater verändert sich ständig, in Interaktion mit dem städtischen Gefüge. Die Frage nach dem Ort des Theaters, verbunden mit den Formen der europäischen Stadt, steht historisch ge-wachsen im Zusammenhang mit dem öffentlichen Raum und dessen Nutzung.

Inwieweit ist – zu Beginn des XXI. Jahrhunderts – das Theater in der Lage, als Kunstform und physischer Ort, als öffentliche Dienstleistung und soziale Praxis, mit der Stadt zu interagieren und als wesentlicher Faktor seine Einzigartigkeit zu behaupten. Gerade Berlin mit seinen unter-schiedlichsten szenischen Orten, den schier unzähligen Formationen und Institutionen der Dar-stellenden Künste spiegelt dies wieder, ebenso wie auch andere Städte wie Barcelona, Brüssel, Paris, Warschau, Lissabon und andere. Unsere konkreten Fragen sind:

■ Form der Stadt, Urbanität und Theatralität – Werden die Theater im Entertainment verschwinden?

■ Aktuelle Theaterformen, Rolle der Zuschauer – kann sich das Theater für neue Praktiken der Partizipation öffnen?

■ Schnittstellen und Neukonfigurationen für Theater und Urbanität – wie sieht die Bühne im digitalen Zeitalter aus?

■ Ästhetische Landschaft der Darstellenden Kunst – Die Bühne trotz allem? [9]


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Literatur[1] Freydefont, Marcel: Rencontre internationale Place du theatre – forme de la ville ENSA

Nantes, 2014

[2] Ramon, Antoni: Observatori d´espais escenics UPC Barcelona, 2014

[3] Zielske, Harald: Deutsche Theaterbauten bis zum zweiten Weltkrieg, Berlin, 1971

[4] Digitalisierte Planmappe Nr. 42 Theater d. Volkes – Grosses Schauspielhaus Berlin, 3.2.41 (TU Berlin) und Findbuch Generalbauinspektor für die Reichshauptstadt, Bestand R 4606, Registratur 1590

[5] Heinrich Huesmann: Welttheater Reinhardt. Bauten, Spielstätten, Inszenierungen, München, 1983

[6] Heinrich Braulich: Max Reinhardt. Theater zwischen Traum und Wirklichkeit, Berlin, 1966

[7] Kranich, Friedrich: Bühnentechnik der Gegenwart 1 und 2, Berlin-München 1929/33 und Kranich, Friedrich: Archiv der TU Berlin, Signatur 424

[8] Rovira, Xavier: liquidMaps by liquidDocs, Donostia – San Sebastian, 2014

[9] Freydefont, Marcel: Rencontre internationale Place du theatre – forme de la ville ENSA Nantes, 2014


Abbildung 1: Theatrale Orte in Berlin, Universidad Politecnica de Catalunya 2014

Abbildung 2: Grosses Schauspielhaus Berlin, Architekturmuseum Berlin

Abbildung 3: Theater am Schiffbauerdamm und Friedrichsstadtpalast, Architekturmuseum Berlin

Abbildung 4: Das Grosse Welttheater, Hebbel am Ufer/raumlabor Berlin 2012

KontaktProf. Dr.-Ing. Bri Newesely

Beuth Hochschule für Technik Berlin FB VIII / Maschinenbau, Veranstaltungstechnik, Verfahrenstechnik Luxemburger Straße 10, 13353 Berlin

Telefon: (030) 4504-5312 E-Mail: [email protected] Internet: https://prof.beuth-hochschule.de/ newesely/


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Spritzgießen optischer Bauteile aus Cyloolefinpolymeren und -copolymerenProf. Dr.-Ing. Jörg Schmütz1; Burak Sivri, B.Eng.1; Tobias Jakob, B.Eng.11 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Maschinenbau, Veranstaltungstechnik, Verfahrenstechnik

Kurzfassung:

Innovative thermoplastische Kunststoffe, wie Cyclooefinpolymere (COP) und –copolymere (COC) finden zunehmend Verbreitung bei der Fertigung von Kunststoffoptiken, medizintechnischen An-wendungen oder in der Photovoltaik.

Kunststoffschmelzen aus Olefinpolymeren sind jedoch schwer zu beherrschen aufgrund einer geringen Viskosität. Diese Forschungsarbeit zeigt, wie Olefinpolymere auf einer einfachen Schne-ckenspritzgießmaschine mit Kaltkanalanguß erfolgreich verarbeitet werden können, um planop-tische und mikrostrukturierte Oberflächen präzise abzuformen.

Abstract:

Innovative thermoplastic Cycloolefinpolymers (COP) and –copolymers (COC) are increasingly used for the injection molding of optics, medical applications and transmissive covers for photovoltaic cells. However, at melting point and beyond COC and COP are challenging to manufacture due to their low viscosity. This research study shows that COC and COP can be successfully injection molded, using a standard molding setup with a screw-type plastification unit and a cold runner.

Einleitung Cyclolefinpolymere (COP) und –copolymere (COC) stehen bei der Herstellung optischer und medi-zintechnischer Produkte zunehmend im Wettbewerb zu den seit vielen Jahren bekannten transpa-renten Thermoplasten, wie Polymethylmethaacrylat (PMMA) oder Polycarbonat (PC) und Glas. So zeichnen sich COC und COP bei optischen Komponenten, wie Linsen oder Streuscheiben durch besonders gute Gebrauchseigenschaften, wie eine geringe Wasseraufnahme und gute Tempera-turbeständigkeit aus. Damit sind diese Kunststoffe besonders prädestiniert für den Einsatz in Mobiltelefonen, Tablet-Computern, LED-Leuchten oder der Photovoltaik. Weitere Anwendungsge-biete sind die Herstellung von medizintechnischen Produkten, Einwegspritzen und Verpackungen.

Spritzgießversuche mit COC, COP und PMMA liefern hier wichtige Erkenntnisse für die industrielle Verarbeitung. Verwendet werden neben PMMA das (COC) Cycloolefincopolymer TOPAS 5013 S04 des Herstellers TOPAS Advanced Polymers GmbH, Frankfurt, sowie das (COP) Cycloolefinpolymer ZEONEX 330R der Zeon Corporation, Japan [5].

Stark temperaturabhängige VerarbeitungseigenschaftenIn der Produktion gelten COC und COP aufgrund ihres stark temperaturabhängigen Fließver-haltens als anspruchsvolle Polymere. Dieser Zusammenhang lässt sich durch Bestimmung der Schmelzmassenfließrate MFR bei verschiedenen Temperaturen nachvollziehen. Hierbei wird ein Kunststoffstrang bei einer exakt geregelten Temperatur durch Auflegen eines Prüfgewichtes aus dem definierten Düsenquerschnitt eines vertikalen Kolbens extrudiert, um die pro Zeiteinheit ausgetretene Kunststoffmenge zu bestimmen (s. Abb. 1) [5].

Wird die Temperatur bei COC von 230°C auf 275°C erhöht, so fließt bei gleicher Kolbenkraft die 8-fache Menge, während sich die Schmelzmassenfliessrate von COP im gleichen Temperaturin-tervall verdoppelt. Wesentlich weniger fließfähig ist PMMA mit geringerer Massenfließrate bei beinahe doppelt so großem Druck des Prüfkolbens (Prüflast hier 3.800g).


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Diese Betrachtungen geben die Fließeigen-schaften im Spritzgießwerkzeug nur nähe-rungsweise wieder, da sich die Temperaturen während der Formfüllung verändern. Trotzdem lässt die Fließrate darauf schließen, dass COC und COP aufgrund der niedrigen Viskosität besonders gut für feinstrukturierte, dünnwan-dige Bauteile und lange Fließwege geeignet erscheinen [5].

Spritzgießen mit Kaltkanalanguß im beheizten WerkzeugDer Formfüllvorgang und die Qualität der Form-teile lassen sich anhand von Spritzgießversu-chen beurteilen. Hierzu werden PMMA, COC und COP in eine Form mit zwei unterschiedli-

chen Kavitäten gespritzt. Eine Kavität besitzt konzentrische Strukturen mit dreieckigem Rillenpro-fil ähnlich einer Fresnel-Linse, während in dem anderen Formnest eine planebene Scheibe mit einem Durchmesser von 42 mm entsteht. In beiden Fällen bildet die feststehende Werkzeughälf-te auf der Düsenseite die zweite Formhälfte. Abb. 2 zeigt das geöffnete Werkzeug mit erstarrtem Formteil [5].

Abb. 1: Schmelzmassefließrate MFR verschiedener Kunststoffe, ermittelt nach DIN EN ISO 1133-1:2012 Verfahren B [1, 5]

Abb. 2: Bewegliche Werkzeughälfte mit Formteile (links) [5] sowie strukturiertes Spritzgießteil (rechts)

Das Auswerfen der Formteile erfolgt über den Angusskanal durch vier mittensymmetrisch an-geordnete Auswerferstifte. Die zylindrischen Formeinsätze sind aus dem pulvermetallurgischen hochlegierten Stahl „Böhler M340 ISOPLAST“ auf konventionellen Werkzeugmaschinen gefertigt und manuell poliert. Die bewegliche Werkzeughälfte lässt sich beheizen, ist aber nicht tempe-riert. Alle verwendeten Granulate werden nach Herstellerangaben vorgetrocknet. Die Verarbeitung erfolgt hier auf einer universellen Spritzgießmaschine „Allrounder 221K“ mit Ø25mm Schnecken-plastifiziereinheit (s. Abb. 3).

Simulation des Formfüllvorganges – Strukturen bremsen die SchmelzeDie Simulation mit Hilfe der Software „Moldflow“ der Fa. Autodesk Inc., USA, macht die Ausbrei-tung der Fließfronten in Abhängigkeit der Zeit deutlich. Bei Einhaltung der Verarbeitungsemp-

Abb. 3: Spritzgießmaschine Arburg Allrounder 221K im Labor für Kunststoffverarbeitung und -prüfung der Beuth Hochschule für Technik in Berlin.


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fehlungen der Kunststoffhersteller lässt die Simulation mit allen drei Kunststoffen fehlerfreie Abformergebnisse erwarten. In der strukturierten Form wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schmelze gebremst, so dass sich die planebene Kavität (Abb. 4, rechts) stets zuerst vollständig füllt [5].

Diese Strömungswiderstände im Fließweg der Schmelze können in der Realität zu einer Auf-teilung der Fließfront und zur Bildung unerwünschter Bindenähte führen, die beim Zusammen-treffen von zwei Fließfronten entstehen (s. Abb. 5). Sichtbare Bindenähte sind in transparenten Bauteilen und technischen Optiken nicht aktzetabel und führen zu Ausschuß.

Abb. 4: Formfüllvorgang mit COC in der Simulation (Moldflow, Fa. Autodesk) [2, 5]

Abb. 5: V-förmige Fließnähte an strukturierten Spritzgießteilen [2]

Das Strömungsverhalten während des Formfüllvorganges an strukturierten Oberflächen kann heute noch nicht ausreichend vorhergesagt werden. Gegenstand weiterführenden Arbeiten sind daher die Untersuchung der Strömungsform (laminar vs. turbulent) sowie der Schergeschwindig-keiten in strukturierten Formen.


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Sind die abzuformenden Strukturen hingegen hinreichend klein, so wird keine Aufteilung der Schmelze in geteilte Fließfronten beobachtet. Abb. 6 zeigt ein optisches Beugungsgitter mit ei-nem Gitterabstand von zehn Mikrometern und einer Höhe der Strukturen von einem Mikrometer. In diesem Fall wird die Struktur in der schmelzflüssigen Kunststoffmasse erst im finalen Nach-druckvorgang des Spritzgießzyklus erzeugt.

VerarbeitungsparameterAls vorteilhaft bei COC und COP hat sich die niedrige Viskosität erwiesen, die eine Formfüllung bei wesentlich geringeren Drücken erlaubt (s. Abb. 7). Im Umkehrschluss ist zu erwarten, dass sich an dünnwandigen Formteilen mit COC und COP im Vergleich zu PMMA wesentlich größere Fließwege in der Form realisieren lassen. Bestätigt hat sich hier, dass sich feine Geometrien mit den Cycloolefinpolymeren und -copolymeren detailgetreuer abformen lassen [5].

Abb. 6: In PMMA abgeformtes optisches Beugungsgitter. Draufsicht (links) und Profilschnitt (rechts). Weißlichtinterferometer-Aufnahme: Labor für Mikrozerspanung, Universität Bremen.

Abb. 7: Geeignete Verarbeitungsparameter [4, 5]

Die Formfüllung erfolgt hier volumengesteuert in zwei Füllstufen bei einer angestrebten kon-stanten Einspritzgeschwindigkeit von 20 ccm3/s, wobei der Einspritzdruck in der ersten Stufe auf maximal 800 bar begrenzt ist. Das Umschalten von erster zu zweiter Spritzstufe geschieht, nachdem die Form etwa zur Hälfte gefüllt ist.

Als vorteilhaft bei COC und COP hat sich die niedrige Viskosität erwiesen, die eine Formfüllung bei geringeren Drücken erlaubt (s. Abb. 7). Im Umkehrschluss ist zu erwarten, dass sich an dünn-wandigen Formteilen mit COC und COP im Vergleich zu PMMA wesentlich größere Fließwege in der Form realisieren lassen. Bestätigt hat sich hier, dass sich feine Geometrien mit den Cycloole-finpolymeren und -copolymeren detailgetreuer abformen lassen, als in PMMA.

Unsymmetrische Spannungsverteilungen in SpritzgießteilenInnere Spannungen in Kunststoffteilen können zur Spannungsrisskorrosion an Bauteilen führen, die der Witterung ausgesetzt sind (z. B. Streuscheiben an Scheinwerfern). Auch die optischen Eigenschaften bei Anwendungen mit polarisiertem Licht werden durch innere Spannungen nega-tiv beeinflusst. Dies ist beispielsweise bei der Verwendung in Lichtschrankensystemen der Fall.


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Im Polariskop lassen sich die inneren Spannungen im Formteil als schwarze Schattierungen sicht-bar machen (s. Abb. 8). Durch Formfüllung und Nachdruck entstehen Spannungen insbesondere in der Nähe des Angusses. Dies lässt sich an allen hier betrachteten Werkstoffen nachvollziehen. Durch die Steuerung des Nachdrucks lässt sich die Ausprägung der inneren Spannungen beein-flussen, aber nicht gänzlich vermeiden: Je geringer die Nachdruckzeit, umso geringer sind die inneren Spannungen. Jedoch begünstigt ein verkürzter Nachdruckzyklus schwindungsbedingte Einfallstellen und eine ungenügende Formfüllung.

Soll eine unsymmetrische Spannungsverteilung im Bauteil vermieden werden, so kann eine Um-stellung des Prozesses auf das sogenannte Spritzprägen sinnvoll sein, bei dem ein flächenhafter Nachdruck über die Form erfolgt [3].

ZusammenfassungDie Verarbeitung von COC und COP ist auf universellen Schneckenspritzgießmaschinen im Kalt-kanalwerkzeug aus vorgetrockneten Granulaten ohne besonderen zusätzlichen werkzeug- oder maschinenseitigen Aufwand beherrschbar. Dies eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten bei Kunststoffteilen für Optiken, medizintechnische Produkte und Verpackungen. Aufgrund des stark temperaturabhängigen Fließverhaltens ist eine enge Einhaltung der als optimal erkannten Pro-zessparameter von großer Bedeutung. COC und COP lassen sich aufgrund der sehr niedrigen Viskosität bei geringerem Druck verarbeiten und ermöglichen neben der detailgetreuen Abfor-mung feinster Strukturen. Strukturen im Werkzeug verlangsamen die Formfüllung und können zu unerwünschten Fließlinien führen. Typisch für den Spritzgießprozess sind unsymmetrische Spannungsverteilungen im Bauteil.

In weiterführenden Arbeiten soll an dieser Stelle der Einfluss der Prozessparameter auf die Form-treue optischer Bauteile untersucht werden. Besondere Herausforderungen bei der Fertigung präziser Teile aus transparenten Thermoplasten sind die Vermeidung innerer Spannungen sowie die Beherrschung des Schwindungsverhaltens dickwandiger Bauteile und das Verständnis des Formfüllvorganges an strukturierten Oberflächen (z. B. Fresnel-Strukturen und optische Gitter). Bei zunehmender Verbreitung von COC und COP wächst auch die Bedeutung der stofflichen Re-cyclierbarkeit für anspruchsvolle Kunststoffprodukte.

Abb. 8: Planebene Kunststoffscheiben aus COC im Polariskop [2].


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KontaktProf. Dr.-Ing. Jörg Schmütz

Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich VIII / Maschinenbau, Veranstaltungstechnik, Verfahrenstechnik Luxemburger Straße 10, 13353 Berlin


Literatur[1] Münch, P.: „Grundlegende Untersuchung des Formfüllverhaltens optischer Kunststoffe beim

Spritzgießen mikrostrukturierter Bauteile“. Master-Thesis, Beuth Hochschule für Technik, Berlin, 2013

[2] Sivri, B.: „Untersuchung des Spritzgießens mikrostrukturierter Bauteile mit neuartigen thermoplastischen Kunststoffen“. Bachelor-Thesis, Beuth Hochschule für Technik, Berlin, 2014

[3] Müller, R.-U.: „Prägende Erfahrung“. Kunststoffe 10/2013, Carl Hanser-Verlag, München

[4] Jakob, T.: „Technologischer Vergleich des Schnecken- und Kolbenspritzgießens thermoplastischer Kunststoffe“. Bachelor-Thesis, Beuth Hochschule für Technik, Berlin, 2014

[5] Schmütz, J. ; Sivri, B., Jakob, T.: „Wie anspruchsvolle Polymere erfolgreich verarbeitet werden“. Maschinenmarkt KW40/14, Vogel Business Media, Würzburg, 2014


Abbildung 1: Schmelzmassefließrate MFR verschiedener Kunststoffe, ermittelt nach DIN EN ISO 1133-1:2012 Verfahren B. Quellen: [1, 5]

Abbildung 2: Bewegliche Werkzeughälfte mit Formteile (links) [5] sowie strukturiertes Spritz-gießteil (rechts). Quellen: [5] links, Beuth Hochschule rechts.

Abbildung 3: Spritzgießmaschine Arburg Allrounder 221K im Labor für Kunststoffverarbeitung und -prüfung der Beuth Hochschule für Technik in Berlin. Quelle: Beuth-Hoch-schule.

Abbildung 4: Formfüllvorgang mit COC in der Simulation (Moldflow, Fa. Autodesk). Quellen: [2, 5]

Abbildung 5: V-förmige Fließnähte an Spritzgießteilen [2]

Abbildung 6: In PMMA abgeformtes optisches Beugungsgitter. Draufsicht (oben) und Profil-schnitt (unten). Weißlichtinterferometer-Aufnahme : Labor für Mikrozerspanung, Universität Bremen.

Abbildung 7: Geeignete Verarbeitungsparameter. Quellen: [4,5]

Abbildung 8: Planebene Kunststoffscheiben im Polariskop: links PMMA, rechts COC. Quelle: [2]


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Verbesserung der Wäschepflege mit Hilfe von Häufigkeits-analysenProf.-Dr.-Ing. Joachim Villwock1; Katharina Ellmer, M.Sc.2; Christian Oertel, M.Eng.1; Tobias Morgenthal, M.Eng.11 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Maschinenbau, Veranstaltungstechnik, Verfahrenstechnik 2 Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, Fachbereich Gestaltung und Kultur

Kurzfassung

Für die Wäschepflege werden in Haushalten in Deutschland z. T. große Mengen an Ressour-cen eingesetzt. Um zukünftig sowohl ressourcenschonend als auch wäscheschonend waschen zu können, wurde ein Verfahren entwickelt, welches den aktuellen Zustand bzw. die aktuelle Position der Wäschestücke in der Trommel erfassen und bei Fehlbewegungen den Grad der eingebrachten mechanischen Energie anpassen kann. In diesem Paper wird das entwickelte Verfahren vorgestellt.

Abstract

Resource consumption during the washing process of laundry in private households in Germany is remarkably high. The main objective is to improve resource efficiency during the washing process while extending fabric life. To this end, a new process was developed which tracks the current position of the laundry and regulates the level of introduced mechanical energy. In this paper the developed method is presented.

EinleitungIn Deutschland werden jedes Jahr über 600.000 Tonnen Waschmittel [IKW 13], 6 Milliarden Kilowattstunden Strom und circa 330 Millionen Kubikmeter Trinkwasser zur Wäschepflege in Privathaushalten verwendet [Pak 09]. Pro Person werden dabei wöchentlich circa vier Kilogramm Wäsche gewaschen [IKW 13]. Dies sind insgesamt über 20 Millionen Tonnen Textilien in ganz Deutschland [For 11]. Ziel ist es, in der Stadt der Zukunft durch ressourcensparendes Waschen und effiziente Wäscheschonung einen Beitrag zu einer langen Nutzung der Textilien zu leisten.

Hauptteil Um zukünftig mit geringem Ressourceneinsatz möglichst wäscheschonend waschen zu können, müssen die grundsätzlichen Zusammenhänge der Wäschepflege bekannt sein. Das bekannteste Modell, welches die grundsätzlichen Zusammenhänge beschreibt, ist der von Herbert Sinner

stammende SINNERsche Waschkreis (s. Abb. 1).

Der SINNERsche Waschkreis beinhaltet mit den Größen Temperatur, Mechanik, Zeit und Chemie die vier Haupteinflussfaktoren des Waschprozesses. Soll eine der Komponenten verringert werden, indem bei-spielsweise bei einer geringeren Temperatur gewaschen wird, so muss dafür an anderer Stelle, beispielsweise durch Erhöhung der Waschdauer, eine Zugabe gewährt werden.

Abb. 1: SINNERscher Waschkreis


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Parameter wie die textilen Wäschestücke, deren waschrelevante Eigenschaften und die verschie-denen Schmutzarten und -intensitäten werden darin allerdings nicht berücksichtigt.

Zur genauen Erforschung des Waschprozesses wurde im Jahr 2011 das Projekt „Simulation Wä-schepflege“ gegründet. Projektpartner sind dabei die Beuth Hochschule für Technik Berlin, die HTW Berlin, die TU Berlin sowie der Industriepartner BSH Hausgeräte GmbH (BSH). Zusammen werden in diesem Rahmen unter anderem die mechanischen Vorgänge innerhalb des Waschpro-zesses mit Hilfe numerischer Simulationen genau untersucht und neue Methoden für die Erhö-hung der Effizienz und die damit verbundene Ressourcenschonung erarbeitet. Das Projekt dient als Wegbereiter für die intelligente Waschmaschine in der Stadt der Zukunft.

Zu den Wäschestücken, die in Haushaltswaschmaschinen gewaschen werden, zählen sowohl Bekleidung als auch Haushaltswäsche und Heimtextilien. Diese stellen unterschiedliche Anfor-derungen an die Wäschepflege in der Waschmaschine. Heutzutage bestehen die Wäschestücke beispielsweise aus unterschiedlichen Fasermischungen und Veredlungen, wie beispielsweise ei-ner Bügelfrei-Ausrüstung. Darüber hinaus führen Innovationen zu Veränderungen der Wäsche-stücke. Diese Innovationen beinhalten sowohl neue Produktentwicklungen auf den Gebieten der Fasern, Fäden und Flächen als auch auf den Gebieten der Veredlung und Konfektionierung. Dazu zählen beispielsweise Milch- und Algenfasern, kosmetische Zusatzstoffe in Form von Mi-krokapseln, dreidimensional-gefertigte Produkte oder komplett neue Produktinnovationen, wie beispielsweise figurformende Shapewear. Neben den Innovationen werden Wäschestücke stark durch Modetrends und eine Vielzahl an Kollektionen geprägt. Gab es vor einigen Jahren noch eine Frühjahr/Sommer- und eine Herbst/Winter-Kollektion, so wechseln heute die Kollektionen meist im Monatsrhythmus.

Auch im Bereich des Maschinenbaus seitens der Hausgerätehersteller werden innovative Kom-ponenten verbaut. Neben einer automatischen Füllstandsmessung, welche darauf aufbaut, die von dem Wäscheposten1 aufgenommene Waschlaugenmenge zu detektieren, erkennen moderne Waschgeräte beispielsweise ebenfalls die Beladungsmenge und können die Waschprogramme diesbezüglich anpassen. Auch das Waschmittel wird bei modernen Waschgeräten bereits auto-matisch auf den Milliliter genau dosiert, wodurch bereits jährlich über 7.000 Liter Wasser pro Haushalt gespart werden können [BSH 14a].

Da das Thema Smart Appliances im technologischen Sektor immer mehr Zuwachs erfährt, findet dies auch im Bereich der Waschgeräte statt [BSH 14b].

Im Rahmen des Kooperationsprojektes wurde ein Verfahren entwickelt und patentiert, welches in der Lage ist, die Position von Textilien in der Trommel zu erfassen und hinsichtlich verschiedener Größen auszuwerten.

1 Als Wäscheposten werden die zu einer Waschladung zusammengestellten Wäschestücke verstanden.

Abb. 2: Dreidimensionaler Pfad eines Prüfkörpermittelpunktes [Oer 12]


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Dabei werden mindestens zwei Kameras vor der Trommel positioniert und der Wäschefall ge-filmt. Zur besseren Detektion der Körper können optische Aufheller in Verbindung mit UV-Licht verwendet werden. Diese werden in einer Lösung auf das Textil aufgetragen und reagieren um ein vielfaches Stärker auf UV-Licht, als herkömmliche weiße Kleidung. Es können ebenfalls Infra-rotleuchtmittel eingesetzt werden, die dem Wäscheposten beigefügt und über infrarotsensitive Kameras erfasst werden. Auf diese Weise können einzelne Textilien oder auch der Wäscheposten erfasst und ausgewertet werden. Mit Hilfe einer Mittelwertbildung der Prüfkörperfläche können skalare Positionswerte für jeden Zeitschritt erhalten werden (vgl. Abbildung 2).

Zur Auswertung wird neben den Positionsangaben ebenfalls mit deren Hilfe eine Häufigkeitsver-teilung erzeugt (vgl. Abb. 3).

Abb. 3: Häufigkeitsanalyse eines Wäschepostens [Oer 12]

In den Einzelbildern der Videos sind die Bildpunkte (engl. pixel) tabellen- bzw. rasterartig, ähn-lich einem Schachbrett, angeordnet. Jeder dieser Pixel wird getrennt voneinander ausgewertet. Das Feld der Häufigkeitsanalyse besitzt identische Maße, wie das Ausgangsvideo und wird mit null initialisiert. Sobald das gewünschte Textil einen bestimmten Pixel innerhalb eines Bildes durchschreitet, wird der Zähler an der entsprechenden Stelle um eins erhöht.

Der Kehrwert der Bildwiederholfrequenz der Kamera entspricht dabei der Zeitschrittweite. Bei einer Frequenz von 25 Bildern pro Sekunde entspricht dies einem Zeitschritt von 0,04 Sekunden zwischen zwei Bildern.

Nachdem alle Pixel innerhalb eines Videos durchsucht wurden, wird das charakteristische Feld, welches die Werte aller Zähler enthält mit einer Farbzuordnung (engl. colormap) visualisiert. Dabei entsprechen die roten Felder Bereichen, in denen sich der Wäscheposten am häufigsten aufhält, während dunkelblaue Felder für Bereiche stehen, in denen die Wäsche nicht angetrof-fen wird. Als quantitative Größe dient dabei das Verhältnis des Zählers an einer Stelle mit der Gesamtanzahl an gefundenen Pixeln.

Dieses Verfahren hilft, den aktuellen Zustand bzw. die aktuelle Position des Wäschepostens (vgl. Abb. 4) in der Trommel zu erfassen und bei Fehlbewegungen den Grad der eingebrachten mechanischen Energie anzupassen. Dies kann beispielsweise durch Reduzierung der Drehzahl oder Anpassung des Reversierrhythmus geschehen.

Dieses Verfahren könnte als eines von vielen zukünftig zur intelligenteren Automatisierung des Waschprozesses beitragen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass empfindliche textile Wäschestücke, die beispielsweise aus Wollfasern bestehen, während der Wäschepflege nicht überbeansprucht werden. Dies trägt erheblich zur Verlängerung der Lebensdauer und damit zur Ressourcenschonung bei.

1 Vgl. (Oer 12), S. 118 f

Abb. 4: Zustandsbeschreibung mit Hilfe einer Häufigkeitsanalyse1

(links geringer, rechts erhöhter Energieeintrag)


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Zusammenfassung Bereits heute bestehen Wäschestücke, die in Waschmaschinen gewaschen werden, aus vielfälti-gen Fasermischungen. Der Bekleidungsmarkt wird durch Modetrends, eine Vielzahl an Kollektio-nen und Innovationen geprägt. Auch in der Stadt der Zukunft wird es wichtig sein, Wäschestücke ressourcen- und wäscheschonend zu waschen. In diesem Zusammenhang wurde ein Verfah-ren entwickelt, welches die vorherrschende Situation in der Waschtrommel erfasst und darauf aufbauend den Grad der eingebrachten, mechanischen Energie variiert. Dabei werden Video-aufzeichnungen statistisch ausgewertet und sogenannte Häufigkeitsanalysen durchgeführt. Auf diese Weise können die Bereiche ausfindig gemacht werden, in denen sich der Wäscheposten vermehrt oder gar vermindert aufhält. Entspricht dies nicht dem gewünschten Verfahren, so kann der Prozess anhand von Systemparametern geregelt werden, um eine Verbesserung zu erzielen.

Literatur[For 11] Forum Waschen: Textilien richtig waschen – Werte erhalten!, Forum Waschen c/o

Industrieverband Körperpflege und Waschmittel e. V. (IKW), Frankfurt a. M., 2011

[IKW 13] Industrieverband Köperpflege- und Waschmittel e.V.: Nachhaltigkeit in der Wasch-, Pflege- und Reinigungsmittelbranche in Deutschland 2011-2012. Frankfurt a. M., 2013

[BSH 14a] BSH Hausgeräte GmbH, abgerufen am 3.12.2014: http://www.bsh-group.de/index.php?page=137725#s3

[BSH 14b] BSH Hausgeräte GmbH, abgerufen am 3.12.2014: http://www.bsh-group.de/index.php?page=137729#i1

[Oer 12] Oertel, Christian: Implementierung aussagekräftiger Auswertungsverfahren für die Erfassung mehrdimensionaler Bewegungen textiler Prüfkörper in einer rotierenden Waschtrommel, unveröffentlichte Bachelorarbeit, Berlin, 2012

[Pak 09] Pakula, Christiane; Stamminger, Rainer. (2010): Electricity and water consumption for laundry washing by washing machine worldwide; In: Energy Efficiency, November 2010, Springer, S. 370


Abbildung 1: SINNERscher Waschkreis

Abbildung 2: Dreidimensionaler Pfad eines Prüfkörpermittelpunktes [Oer 12]

Abbildung 3: Häufigkeitsanalyse eines Wäschepostens [Oer12]

Abbildung 4 Zustandsbeschreibung mit Hilfe einer Häufigkeitsanalyse (links geringer, rechts erhöhter Energieeintrag)


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KontaktProf. Dr.-Ing. Joachim Villwock


Telefon: (030) 4504-5101 E-Mail: [email protected] Internet: https://prof.beuth-hochschule.de/villwock

Tobias Morgenthal

BSH Hausgeräte GmbH Wohlrabedamm 15, 13629 Berlin

E-Mail: [email protected]

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Near Infrared Spectroscopy for pharmaceutical applicationsDr. Usawadee Sakulkhu1; Mario Helmis, M.Sc.1; Agnes Buczkowski, M.Sc.1; Prof. Dr. Mont Kumpugdee-Vollrath1

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Mathematik - Physik - Chemie

Kurzfassung

Seit einiger Zeit wird die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) im pharmazeutischen und chemischen Bereich vermehrt eingesetzt. Das wachsende Interesse an NIRS resultiert aus wichtigen Vorteilen gegenüber anderen analytischen Techniken, beispielsweise einer einfachen Probenvorbereitung ohne Vorbehandlung oder die Möglichkeit der Inprozesskontrolle in der industriellen Anwendung durch Online-Messungen. In dieser Untersuchung wurde eine Bibliothek aus pharmazeutischen Stoffen sowie Biopolymeren erstellt. Die vorläufigen Ergebnisse zeigten, dass die Stoffe mit Hilfe eines speziellen Software-Programmes klassifiziert werden können.

Abstract

Recently, Near Infrared Spectroscopy (NIRS) is widely used in pharmaceutical and chemical field. The growing interest in NIRS is a directly result of its major advantages over other analytical techniques, for instance, an easy sample preparation without any pre-treatments or the possibil-ity of online measurement for process control in industrial use. In this study we create a library of pharmaceutical substances as well as of biopolymers. The preliminary results showed that pharmaceutical substances could be categorized by using a special software program.

IntroductionBased on the American Society of Testing and Materials (ASTM) definition, NIR region of the electromagnetic spectrum is in the wavelength range of 780-2526 nm corresponding to 12820-3959 cm-1. NIRS has been developed as a non-invasive, rapid and chemical-free tool that applies near-infrared radiation to chemical or biological objects. The appropriate NIR measuring mode will be designed by the optical properties of the samples. Transparent materials are usually measured in the transmittance mode. Depending on the absorption and scattering characteristics of the samples, turbid liquids or semi-solids and solids may be measured in the diffuse trans-mittance, the diffuse reflectance or the transflectance mode [Reich 2005]. The most prominent absorption bands occurring in the NIR region are related to overtones and combinations of fundamental vibrations of –CH, -NH, -OH, -CO molecular bonds [Kandala 2012]. In spite of the fact that sample measurement is easy and quick, the NIR data analysis is not simple due to the requirement of some chemometrics knowledge, less chemical information of NIR comparing to IR/Raman, influences of physical properties of the sample, and requirement of many samples for calibration model and requirement of long-term support (for examples: models, library, instru-ment). Moreover, the overlapping bands (combinations) require statistically software analyses to interpret. This is one of the reasons why NIR is seldom used for trace level analysis.

In pharmaceutical companies, NIRS is used for identification and qualification of starting materi-als, intermediates and final products as well as for verification of physicochemical properties of substances and for creating calibration models for predicting concentrations of pharmaceutical substances. Not only for pharmaceutical applications, NIRS is also used to analyse fat, water and protein in industrial scale of meat [Tøgersen 1999]. NIR spectrum has been reported as a biomarker of a new platform for estrous diagnosis [Kinoshita 2013]. In this study, we created 2 qualitative calibration models to discriminate these substances based on 5 different substance series.


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Materials and MethodsWe have used 5 different series: I) 3 types of raps protein i.e. unmodified raps protein, acetylat-ed raps protein, succinylated raps protein, II) 7 types of shellac i.e. S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, III) 4 types of pectins i.e. Amid CU 020, Classic CU 201, Classic CU 501, Classic CU 701, IV) 10 types of lactose i.e. Granulac® 70, Cellactose® 80, MicroceLac® 100, Granulac® 200, Granulac®230, Tablettose® 100, Granulac® 140, Tablettose®, Ludipress®, Ludipress® LCE and V) 4 types of biopolymer-film i.e. A, B, C and D. The detail of the biopolymer-film is confidential because of the patent. The 5 sample series were measured by NIRS equipment (PHARMA TEST Apparatebau AG, Hainburg, Germany). All spectra were analysed by SensoLogic Calibration workshop software version2.1 (SensoLogic GmbH, Software + Sensor Systems, Norderstedt, Germany). To create a library calibration model, 5 spectra of each sample were used for analysis. The determination of the subgroups of raps protein was performed by a cluster calibration model based on 20 spectra of each raps proteins.

Results and discussionAll substance series are composed of different samples as described previously. The overviews of spectra pattern of the 5 series are different (Fig. 1). The spectra of the unmodified raps pro-tein are different from the modified proteins while the spectra of acetylated and succinylated proteins are very similar (Fig. 1a). All samples in the film series have similar spectra pattern with difference of amplitude (Fig. 1b). Except the lower amplitude of S1 and S6, all spectra in shellac series are very similar (Fig. 1c). In figure 1d, amidated pectin (Amid CU 020) shows obviously different spectrum pattern comparing to non amidated pectins (Classic CU 201, 501 and 701). The spectrum patterns of all lactose monohydrate are very similar (Fig. 1e).

The library calibration is a qualitative calibration model that is based on Principal Component Analysis (PCA). PCA is used to re-order the spectra information by constructing matrices and calculating a set of factors, which best describe the variance between the average spectra. This qualitative library calibration model is calculated based on the average spectrum of all samples in each class. The physical characteristics of samples in this library can be categorized into 2 groups: solid sheet (film and shellac) and powder (raps protein, pectin and lactose). According to the average spectrum of all series in figure 1f, film and shellac shows very similar pattern while pectin, lactose and raps protein are different. The second derivatives are often used to reduce offsets, due to variable physical material characteristics [Reich 2005]. After applying the second derivative transformation with the radius factor of 10 % and 3 factors on these average spectra, 5 different substances were successfully discriminated. Figure 2a shows the location of each substance in 3-dimensional graphic.

A cluster calibration is another qualitative calibration model that is also based on PCA. It is used more elaborated mathematic algorithms than the library calibration model and allow to distinguish between more subtle different in spectral data. Figure 2b shows the 3-D plots of the cluster calibration model based on only 5 spectra of each sample. After applying the absorb-ance and second derivative transformation, all 5 series were well discriminated. The numbers of components of raps protein, shellac and film is 1 while that of lactose and pectin is 2. This numbers of components reveals the numbers of subgroups in each series. It is important to note that cluster calibration model is calculated from all individual spectra in the series that means the more spectra are used, the more accurate of prediction. To evaluate the discriminate power of cluster calibration based on 20 spectra of each sample, 3 different series of raps proteins were created (unmodified raps protein, acetylated raps protein and succinylated raps protein) and used for creating a cluster calibration model. By the absorbance transformation, 3 different modifications were successfully discriminated (Fig. 3). The acetylated and succinylated proteins are closely related to each other compared to unmodified raps protein.


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Fig. 2: Three-dimension graphics of (a) the library calibration model and (b) the cluster calibration model, the analysis is based on 5 different series: shellac, lactose, film, pectin, raps protein. Five spectra of each series were used for calculation.

Fig. 1: Reflectance spectra of (a) raps protein, (b) film, (c) shellac (d) pectin, (e) lactose and (f) average reflectance spectra of all series.


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SummaryThe preliminary results reveal a possibility of using NIRS to create a library of pharmaceutical substances by using 2 calibration models: library and cluster. Library calibration model is suit-able for a large set of series, which have different structures while the cluster model is suitable for a smaller set of series having similar characteristic. The principle of the data analysis between library and cluster are also different. Library was calculated based on the average spectra while in cluster all individual spectra were used for calculation. Therefore, cluster has a better discrim-inative power and suitable for similar substances. The numbers of spectra for data analysis is also an important topic to be concerned. If the numbers of spectra for cluster analysis is too low, it might lead to the misinterpretation of the results. For our future works, the cross validation of the calibrations will be performed. The NIR spectroscopy will be used not only for qualitative and quantitative analysis of pharmaceutical substances but also for identification of the modified proteins, its level of modification and the novel produced bio-membranes.

AcknowledgementsThis work was supported by ESF-Project FA VII (Untersuchungen der Wechselwirkungen modifi-zierter Biopolymermembranen mit ätherischen Ölen). We gratefully acknowledge Dr. Dirk Beilke (PHARMA TEST Apparatebau AG) and Dr. Heinrich Prüfer (SensoLogic GmbH) for providing the NIR-instrument and the software. We also thank Ms. Yara Gamal Abdelmonem Khalaf, Mr. Hussein Hamandi, Mr. Ghassan Zuraikat and Ms. Zahra Kazemi for sample measurements.

Literature[Kandala 2012] Kandala, Chari V.; Sundaram, Jaya; Puppala, Naveen: Analysis of Moisture Con-

tent, Total Oil and Fatty Acid Composition by NIR Reflectance Spectroscopy: A Review. Smart Sensing Technology for Agriculture and Environmental Moni-toring, Lecture Notes in Electrical Engineering, 146, pp. 59-80, 2012

[Kinoshita 2013] Kinoshita, Kodzue; Morita, Hiroyuki; Tsenkova, Roumiana: Spectral pattern of urinary water as a biomarker of estrous, Protocol Exchange, 2013

[Reich 2005] Reich, Gabriele: Near-infrared spectroscopy and imaging: Basic Principles and pharmaceutical applications, Advanced Drug Delivery Reviews, 57, pp. 1109-1143, 2005

[Tøgersen 1999] Tøgersen, Geir et al: On-line NIR analysis of fat, water and protein in industrial scale ground meat batches, Meat Science, 51, pp. 97-102, 1999

Fig. 3: Three-dimension graphic of the cluster calibration model based on 3 different raps proteins: unmodified raps protein, acetylated raps protein and succinylated raps protein. 20 spectra of each series were used for calculation.


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KontaktProf. Dr. Mont Kumpugdee-Vollrath

Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich II / Mathematik, Physik, Chemie Luxemburger Straße 10, 13353 Berlin

Telefon: (030) 4504-2239 Fax: (030) 4504-2813 E-Mail: [email protected] Internet: http://prof.beuth-hochschule.de/ vollrath

List of figures

Figure 1: Reflectance spectra of (a) raps protein, (b) film, (c) shellac (d) pectin, (e) lactose and (f ) average reflectance spectra of all series.

Figure 2: Three-dimension graphics of (a) the library calibration model and (b) the cluster calibration model, the analysis is based on 5 different series: shellac, lactose, film, pectin, raps protein. Five spectra of each series were used for calculation.

Figure 3: Three-dimension graphic of the cluster calibration model based on 3 different raps proteins: unmodified raps protein, acetylated raps protein and succinylated raps protein. 20 spectra of each series were used for calculation.

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POSTER

71 RESEARCH DAY 2015 – STADT DER ZUKUNFT — TAGUNGSBAND – 21.04.2015

Viele neurodegenerative Krankheiten führen zu Veränderungen der Retina. Die nichtinvasive retinale optische Kohärenztomo-graphie (OCT) erlaubt die Visualisierung und Dickenmessung retinaler Schichten und spielt bei der Diagnose und Therapiebe-gleitung eine wichtige Rolle.

Zielstellung: Ersetzen der manuellen Qualitätskontrolle von OCT-Bilddaten durch einen computergestützten QM-Prozess. Dazu werden geeignete Qualitätsmerkmale identifi ziert, Algo-rithmen für eine Klassifi kation von OCT-Aufnahmen bezüglich ihrer Eignung zur Schichtenuntersuchung entwickelt. Es wird eine IT-Plattform bereitgestellt, welche eine performante Verar-beitung großer Datenmengen und die dynamische Integration neuer Algorithmen ermöglicht.

anfordErungEnOCT-Messung: Tiefenprofi l an jedem Punkt der Retina ▸ OCT-Volumenaufnahme des Augenhintergrundes (Abb. 1). Anforderung: Segmentierung des retinalen Schichtaufbaus für zuverlässige Dickenmessungen ▸ hohe Bildqualität notwendigProbleme: Messprinzip der Weißlicht-Interferometrie, physiolo-gische Beschaff enheit der Retina, Anwender. Folgen für die Bildqualität: abgeschnittene Bildbereiche (Abb. 2), schräg verlaufende Schnittbilder, niedriges Signal-Rausch-Verhältnis (Specklerauschen, Defokussierung) und Rückstreueigenschaften des Gewebes (Abb. 3).

QualitätsindikatorEn, klassifikationVollständigkeit der Aufnahmen: Automatische Identifi kation fehlender Bereiche, Berechnung der oberen Grenzfl äche der Re-tina (Abb. 2). Darstellung auf einem 2D-Übersichtsbild in Form einer Qualitätslandkarte (Abb. 4).

Bildqualität (Segmentierbarkeit): Defi nition von lokalen SNR-Features (4) und Histogramm-Features (16), Festlegung eines SNR Qualtitätsindikatores mittels linearer Diskrimantenanalyse (LDA), Einlernen eines nichtlinearen Klassifi kators für Qualitäts-klassen segmentierbar – nichtsegmentierbar (SVM und neuro-nale Netze, work in progress).

it-plattform Die IT-Plattform (Abb. 5) umfasst alle Komponenten zur kontinu-ierlichen Integration von neuen Daten (klinische ForscherInnen) und neuen Analyseverfahren (AlgorithmenentwicklerInnen).

XNAT: Quelloff enes und freies Datenmanagementsystem für die bildbasierte klinische Forschung. Automatischer Upload der pseudonymisierten Bild- und XML-Daten. Speicherung der Qua-litätsparameter.JCM: Selbstentwickelte Komponenten für Job- und Codema-nagement. Uploader für Matlab-Skripte. Automatische Kompi-lierung und Versionsmanagement der Algorithmen. Scheduling der cloudbasierten Ermittlung der Qualitätsindikatoren.OpenStack: Quelloff ene und freie Infrastruktur-as-a-Service Cloud. Skalierbare und sichere Ausführung der QS-Algorithmen in vorkonfi gurierten virtuellen Maschinen.

• proF. Dr. ingeborg beckerS · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected] • proF. Dr. FrAnk HAuSSer · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected] • proF. Dr. DAgMAr kreFting · hochschule für technik und Wirtschaft Berlin · [email protected]

Entwicklung und Integration von Verfahren zum automatisierten computergestützten Qualitäts-management von retinalen OCT-Aufnahmen

Klinische Forscher

Algorithmen-entwickler

Code & JobManagement

DatenManagement

Privates Netwerk

Cloud Management

OCT+XML Code

CJM

Pseudo-nymisierung

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Research Day 2015Stadt der Zukunft Konzepte und Technologien life science

0,0

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Zeit in Tagen

Puffer Bidest. Wasser Entionisiertes Wasser 70% Ethanol

Qualitätssicherung in der Pharma- und Lebensmittelindustrie durch den Einsatz optimierter Bioindikatoren und die Lokalisation von Biofilmen in RohrleitungssystemenEinlEitungIndustrielle Produktionsprozesse im Bereich der Pharma- und Lebensmittelindustrie unterliegen strengen Qualitätskriterien. Mikrobielle Kontaminationen spielen hierbei eine wesentliche Rolle, da Mikroorganismen auf Grund von Biofilmbildung nicht immer von gängigen CIP- und SIP (Cleaning in Place und Sterili-sation in place) Prozeduren inaktiviert werden.

BiofilmE und dErEn rEsistEnzBiofilme stellen eine strukturell komplexe multizelluläre Ge-meinschaft aus meist unterschiedlichen Mikroorganismen dar. Sie entstehen, wenn sich einzelne Zellen an Grenzflächen anla-gern und dort vermehren. Innerhalb des Biofilms sind die Zellen durch eine aus Proteinen und Polysacchariden bestehende EPS (Extracelluläre Polymere Substanz) vor mechanischen, physika-lischen sowie chemischen Einflüssen geschützt. Für eine Besei-tigung/Desinfektion sind daher intensive Reinigungsverfahren mit langen Einwirkzeiten und hohen Wirkstoffkonzentrationen nötig.

Einsatz von BioindikatorEnDer Erfolg eines Reinigungsverfahrens muss durch Bioindikato-ren, die je nach angewandtem Verfahren eine spezifische Resis-tenz aufweisen, kontrolliert werden. Die Resistenz ist durch den D-Wert, der Zeit in der 90 Prozent der Bakterien abgetötet wer-den, definiert und ist von einer Vielzahl von Faktoren wie zum Beispiel dem Herstellungsverfahren oder der Lagerung (Abb. 1) abhängig. Auf Grund ihrer hohen Resistenz sind Sporen der Gat-tung Bacillus (Abb. 2) besonders als Bioindikatoren geeignet.

dEtEktion und dEsinfEktion von rohrlEitungssystEmEnVerunreinigungen von Produktionsanlagen durch sehr kleine Biofilme können durch bisherige Systeme nicht detektiert wer-den. Besonders schwierig ist die Detektion in fest installierten Anlagenteilen oder Rohrleitungssystemen. Innerhalb dieses Projektes soll daher eine Sonde entwickelt werden, die mikro-skopisch kleine organische Verunreinigungen aufspüren und punktuell reinigen/desinfizieren kann. Die Entwicklung des Sensorkopfes wird durch die Hochschule Mannheim, Institut für Prozessmesstechnik und Innovative Energiesysteme, unter Leitung von Prof. Dr. Rädle realisiert. Die Lokalisation der Ver-unreinigung sowie Software und Motorsteuerung werden durch die Firma Aquaduna GmbH & Co KG umgesetzt. Die Untersu-chungen an der Beuth Hochschule für Technik umfassen Arbei-ten zum Ermitteln des Wirkungsspektrums, der Nachweisgrenze sowie zur Leistungsfähigkeit der neu entwickelten Sonde unter unterschiedlichen Prozessbedingungen.

• Abbildung 2:Schematischer Aufbau einer Spore (modifiziert nach Leggett et al., 2012). Das im Kern vorliegende Erbgut ist durch den komplexen Aufbau der Spore vor äußeren Einflüssen geschützt.

• Abbildung 1: D-Wert-Abfall während der Lagerung von Bioindikatoren.Der D-Wert bezieht sich auf Entkeimung mit Wasserstoffperoxid bei 55 °C

gEfördErt durch

• M.Sc. Dipl.-ing. (FH) AnDreAS Albin · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected] • proF. Dr.-ing. JoHAnneS bADer · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected]

Research Day 2015Stadt der Zukunft Konzepte und Technologien Life Science

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Viele neurodegenerative Krankheiten führen zu Veränderungen der Retina. Die nichtinvasive retinale optische Kohärenztomo-graphie (OCT) erlaubt die Visualisierung und Dickenmessung retinaler Schichten und spielt bei der Diagnose und Therapiebe-gleitung eine wichtige Rolle.

Zielstellung: Ersetzen der manuellen Qualitätskontrolle von OCT-Bilddaten durch einen computergestützten QM-Prozess. Dazu werden geeignete Qualitätsmerkmale identifi ziert, Algo-rithmen für eine Klassifi kation von OCT-Aufnahmen bezüglich ihrer Eignung zur Schichtenuntersuchung entwickelt. Es wird eine IT-Plattform bereitgestellt, welche eine performante Verar-beitung großer Datenmengen und die dynamische Integration neuer Algorithmen ermöglicht.

anfordErungEnOCT-Messung: Tiefenprofi l an jedem Punkt der Retina ▸ OCT-Volumenaufnahme des Augenhintergrundes (Abb. 1). Anforderung: Segmentierung des retinalen Schichtaufbaus für zuverlässige Dickenmessungen ▸ hohe Bildqualität notwendigProbleme: Messprinzip der Weißlicht-Interferometrie, physiolo-gische Beschaff enheit der Retina, Anwender. Folgen für die Bildqualität: abgeschnittene Bildbereiche (Abb. 2), schräg verlaufende Schnittbilder, niedriges Signal-Rausch-Verhältnis (Specklerauschen, Defokussierung) und Rückstreueigenschaften des Gewebes (Abb. 3).

QualitätsindikatorEn, klassifikationVollständigkeit der Aufnahmen: Automatische Identifi kation fehlender Bereiche, Berechnung der oberen Grenzfl äche der Re-tina (Abb. 2). Darstellung auf einem 2D-Übersichtsbild in Form einer Qualitätslandkarte (Abb. 4).

Bildqualität (Segmentierbarkeit): Defi nition von lokalen SNR-Features (4) und Histogramm-Features (16), Festlegung eines SNR Qualtitätsindikatores mittels linearer Diskrimantenanalyse (LDA), Einlernen eines nichtlinearen Klassifi kators für Qualitäts-klassen segmentierbar – nichtsegmentierbar (SVM und neuro-nale Netze, work in progress).

it-plattform Die IT-Plattform (Abb. 5) umfasst alle Komponenten zur kontinu-ierlichen Integration von neuen Daten (klinische ForscherInnen) und neuen Analyseverfahren (AlgorithmenentwicklerInnen).

XNAT: Quelloff enes und freies Datenmanagementsystem für die bildbasierte klinische Forschung. Automatischer Upload der pseudonymisierten Bild- und XML-Daten. Speicherung der Qua-litätsparameter.JCM: Selbstentwickelte Komponenten für Job- und Codema-nagement. Uploader für Matlab-Skripte. Automatische Kompi-lierung und Versionsmanagement der Algorithmen. Scheduling der cloudbasierten Ermittlung der Qualitätsindikatoren.OpenStack: Quelloff ene und freie Infrastruktur-as-a-Service Cloud. Skalierbare und sichere Ausführung der QS-Algorithmen in vorkonfi gurierten virtuellen Maschinen.

• proF. Dr. ingeborg beckerS · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected] • proF. Dr. FrAnk HAuSSer · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected] • proF. Dr. DAgMAr kreFting · hochschule für technik und Wirtschaft Berlin · [email protected]

Entwicklung und Integration von Verfahren zum automatisierten computergestützten Qualitäts-management von retinalen OCT-Aufnahmen

Klinische Forscher

Algorithmen-entwickler

Code & JobManagement

DatenManagement

Privates Netwerk

Cloud Management

OCT+XML Code

CJM

Pseudo-nymisierung

1

2 3 4

5


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Biosynthese von Grundchemikalien aus nachwachsenden Rohstoff enforschungsgEgEnstandDie Endlichkeit fossiler Rohstoff e für die chemische Industrie und für die treibstoff -ba-sierte Mobilität erfordert die Erschließung nachhaltiger Ressourcen. Das Konzept der Bioraffi nerie setzt nachwachsende Rohstoff e ein und verarbeitet diese in Prozessstruk-turen, die vergleichbar sind mit denen der erdölverarbeitenden chemischen Industrie. Eine der Möglichkeiten zur Gewinnung von Grundchemikalien beziehungsweise Bio-kraftstoff en ist die Aceton-Butanol-Ethanol (ABE) Fermentation mittels Clostridien. Die in diesem Prozess erzeugten Lösungsmittel können zum Teil direkt in der auf Erdölpro-dukten basierenden Infrastruktur eingespeist/verwendet werden. Die Nebenprodukte der ABE Fermentation können ebenfalls zur Wertschöpfung beitragen (Abb. 1).

Die Biokonversion von Kohlenhydraten in Clostridien folgt einem besonderen metabo-lischen Programm, bei dem zunächst organische Säuren und dann die Lösungsmittel synthetisiert werden (Abb. 2). Die Regulation des intrazellulären biochemischen Reak-tionsnetzwerkes (Abb. 3) bei dieser metabolischen Umstellung ist noch nicht geklärt. Das Verständnis dieser Vorgänge ist jedoch essentiell für eine Optimierung sowohl der Zellen durch »metabolic engineering« als auch des Prozesses durch Anpassung der Reaktorkonfi guration und der Regelungstechnik.

projEkt optisolvIm Verbundprojekt OPTISOLV, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und For-schung (BMBF) im Rahmen der EuroTransBio-Initiative mit 449 000 Euro an der Beuth Hochschule für Technik Berlin, werden in einer Kooperation italienischer und deut-scher Firmen beziehungsweise Forschungseinrichtungen neue Verfahren zur kontinu-ierlichen Lösungsmittelproduktion entwickelt.

Die Entwicklung des industriellen Verfahrens umfasst von der Rohstoff aufbereitung über die mikrobielle Stoff wandlung und das »downstream processing« bis zur Abwas-serbehandlung alle relevanten Schritte. An der Beuth Hochschule für Technik Berlin liegt der Schwerpunkt auf dem Fermentationsprozess und der mathematischen Mo-dellierung. Für die Biokonversion wird der zeitliche Ablauf einer Batch-Fermentation auf einen kontinuierlichen Rohrreaktor beziehungsweise eine Rührkesselkaskade (Abb. 4) übertragen. Ein wichtiges Werkzeug für die Prozessentwicklung ist die mathe-matische Modellierung, die das Verhalten der mikrobiellen Populationen in den Reak-toren mit dem makroskopischen Zusammenwirken der Reaktoren koppelt. Ein Modell der Fermentation erlaubt schließlich in Kombination mit den anderen »unit opera-tions« die für eine Umsetzung in den Produktionsmaßstab notwendigen Vorhersagen zum scale-up.

Kohlenhydrathaltige Substrate aus nachwachsenden Rohstoffen und Abfällen

z.B.Stärke: Biomasse aus der landwirtschaftlichen Produktion

Lignocellulose: Abfälle aus der LandwirtschaftLaktose: Abwässer der Milchwirtschaft

Kohlenhydrathaltige Biomasse: Schnellwachsende Mikroalgen

ABE-Fermentation

Aceton Butanol Ethanol CO2 H2 Biomasse

Grundbausteine für die chemische Industrie,Lösungsmittel, Biokraftstoffe

Tiernahrungsergänzung (Vitamine), Ausgangsmaterial für die Biogasproduktion

Technische Gase,Ausgangsstoffe für die biotechnolog. und chemische Produktion,H2 als Biokraftstoff

01234567891011

0

10

20

30

40

50

60

0 6 12 18 24 30 36

Fermentationszeit [h]

Glukose

Aceton [g/L]

Ethanol [g/L]

n-Butanol [g/L]

Essigsäure [g/L]

Buttersäure [g/L]

4.14.34.54.74.95.15.35.5

0.02.04.06.08.0

10.012.0

pHOD

600

OD_600 [-]

pH [-]

SOLVENTOGENESEACIDOGENESEG

luko

seko

nzen

trati

on [g

/L]

Säur

e- u

nd L

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ittel

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nzen

trati

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[g/L

]

Feed

pH-contro

l

N2 N2 N2 N2N2

• Abb. 1: Konzept einer Bioraffi nerie auf Grund-lage der ABE-Fermentation (nach Zverlov et al., Appl Microbiol Biotechnol (2006) 71: 587–597)

• Abb. 2: Zeitlicher Verlauf einer ABE-Batch-Fermentation mit Clostridium acetobutylicum

• Abb. 3: Metabolisches Netzwerk deszentralen Kohlenstoff wechsels von Clostridium acetobutylicum

• Abb. 4: Rührkesselkaskade zurkontinuierlichen ABE-Fermentation

projEktpartnEr fördErung

Förderkennzeichen 031A231C

• proF. Dr.-ing. peter götz · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected]• Dr. kAtJA kArStenS · Beuth hochschule für technik Berlin• Dipl.-ing. SergeJ trippel · Beuth hochschule für technik Berlin• proF. Dr. Antonio MArzoccHellA · universitÀ degli studi di naPoli federico ii


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kartographiE thEatralEr räumEDas Theater verändert sich ständig, in Interaktion mit dem städ-tischen Gefüge. Die Frage nach dem Ort des Theaters, verbun-den mit den Formen der europäischen Stadt, steht historisch gewachsen im Zusammenhang mit dem öffentlichen Raum und dessen Nutzung. Inwieweit ist das Theater heute in der Lage, als Kunstform und physischer Ort, als öffentliche Dienstleis-tung und soziale Praxis, mit der Stadt zu interagieren und als wesentlicher Faktor seine Einzigartigkeit zu behaupten? Für die »Theaterhauptstadt« Berlin wäre eine thematische Kartografie-rung und geschichtliche Einordnung von großer Bedeutung, be-sonders für die Auseinandersetzung mit dem aktuellem Thea-terbau und dessen Weiterentwicklung.

diE stadt im EinundzwanzigstEn jahrhundErtFaktoren wie das Kino zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts, das Fernsehen und jetzt das Internet können nicht die Notwen-digkeit der direkten Interaktion vor Ort ersetzen. Moderne The-aterformen experimentieren heute mehr denn je, um an den Ursprung in der griechischen Etymologie zu erinnern: theatron – der physische Ort, von dem man sehen kann (real und virtuell), hören – und handeln. Neue Lebensstile, neue Sensibilitäten, neue Technologien, neue Horizonte – die Städte des einund-zwanzigsten Jahrhunderts erfordern neue künstlerische und ge-sellschaftliche Praktiken und verändern die uns bekannten Me-thoden.

thEatEr als matEriEllE architEktur und immatEriEllE struktur Das Theater ist schwer zu fassen und verhält sich so wech-selhaft, wie eine Flüssigkeit (liquid), so dass wir uns fragen

Theatrale Orte in Berlin: ephemere Architektur – transitorische Räume – kulturelle Werkzeuge

• proF. Dr.-ing. bri neweSely · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected] • Dipl.-ing. FrAnziSkA ritter · technische universität Berlin · [email protected] • proF. Dr.-ing. Antoni rAMon · universitat Politècnica de catalunya (Barcelona) · [email protected]

• Theatrale Orte in Berlin: www.observatori.liquidmaps.org undWeltausstellung auf dem Tempelhofer Feld (Hebbel am Ufer 2012)

• Großes Schauspielhaus: Grundriss und Schnitt für den Rückbau 1938(links), Großes Schauspielhaus und Berliner Ensemble 1955 (rechts)

• Großes Schauspielhaus: Entwurf zu Dantons Tod von Max Reinhardt1920 (links) und Bau des großen Schauspielhauses 1918/1919

müssen, wie diese kreativen Prozesse und immateriellen Fak-toren mit dem physischen Ort des theatralen Raumes verknüpft sind. Sie interagieren auf vielen Ebenen mit ihren architektoni-schen Umbauten, bühnentechnischen Einbauten, Zerstörungen, Anpassungen und Umnutzungen. Diese gilt es angemessen ein-zubinden, beispielhaft beginnend mit dem Großen Schauspiel-haus, das die sehr vielfältige Baugeschichte der Parzelle »Am Zirkus 1« unter anderem verknüpft mit den Regiekonzepten Max Reinhardts, den visionären Theaterprojekten Hans Pölzigs bis hin zum Abriß 1986.

Das »Observatory of Scenic Spaces« mit seiner offenen Internet-Plattform www.observatori.liquidmaps.org ist ein Forschungszusammenschluss, dessen Ziel es ist, die vielfältige Landschaft theatraler und performativer Orte – auch im öffentlichen Raum – zu untersuchen und in Bezug zu den Darstellenden Künsten, der Architektur sowie zum Städtebau zu stellen.


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Spritzgießen optischer Bauteile aus Cycloolefinpolymeren und -copolymerenEinlEitung Cyclolefinpolymere (COP) und -copolymere (COC) stehen bei der Herstellung optischer und medizintechnischer Produkte zunehmend im Wettbewerb zu den seit vielen Jahren bekann-ten transparenten Thermoplasten, wie Polymethylmethaacrylat (PMMA) oder Polycarbonat (PC) sowie Glas. Diese Kunststoffe sind besonders prädestiniert für den Einsatz in Mobiltelefonen, Tablet-Computern, LED-Leuchten oder der Photovoltaik. Spritz-gießversuche mit COC, COP und PMMA liefern hier wichtige Er-kenntnisse für die industrielle Verarbeitung.

spritzgiEssEn mit kaltkanalanguss im BEhEiztEn wErkzEug PMMA, COC und COP werden in eine Form mit zwei unterschied-lichen Kavitäten gespritzt. Eine Kavität besitzt konzentrische Strukturen mit dreieckigem Rillenprofil ähnlich einer Fres-nel-Linse, während in dem anderen Formnest eine planebene Scheibe mit einem Durchmesser von 42 mm entsteht. Die Verar-beitung erfolgt hier auf einer universellen Spritzgießmaschine »Allrounder 221K« mit 25 mm Durchmesser Schneckenplastifi-ziereinheit.

• proF. Dr. Jörg ScHMütz · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected]

strukturEn BrEmsEn diE schmElzEDie Simulation macht die Ausbreitung der Fließfronten deut-lich. Die Simulation lässt mit allen drei Kunststoffen fehlerfreie Abformergebnisse erwarten. In der strukturierten Form wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schmelze gebremst.

Diese Strömungswiderstände im Fließweg der Schmelze können in der Realität zu einer Aufteilung der Fließfront und zur Bildung unerwünschter Bindenähte führen. Sind die abzuformenden Strukturen hingegen hinreichend klein, so wird keine Aufteilung der Schmelze in geteilte Fließfronten beobachtet. Die Abbildun-gen ganz unten zeigen ein optisches Beugungsgitter mit einem Gitterabstand von 10 Mikrometern.

• Bewegliche Werkzeughälfte mit Formteile (links) sowiestrukturiertes Spritzgießteil (rechts)

• In PMMA abgeformtes optisches Beugungsgitter. Draufsicht (links)und Profilschnitt (rechts)

• Formfüllvorgang mit COC in der Simulation (links) und V-förmigeFließnähte an strukturierten Spritzgießteilen

• Spritzgießmaschine Arburg Allrounder 221K


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Methoden für die Erhöhung der Effi-zienz und der Ressourcenschonung erar-beitet. Das Projekt dient als Wegbereiter für die intelligente Waschmaschine in der Stadt der Zukunft.

mEthodEIm Rahmen des Kooperationsprojektes »Simulation Wäsche-pflege« wurden mehrere Verfahren entwickelt und patentiert, welche in der Lage sind, die Position von Textilien in der Trom-mel zu erfassen und auszuwerten.

Dabei werden mindestens zwei Kameras vor der Trommel posi-tioniert und der Wäschefall gefilmt. Die Trommelbereiche wer-den dabei hinsichtlich ihrer Häufigkeit eingeteilt, mit der sich die Textilien dort aufhalten. Die roten Felder entsprechen Berei-chen, in denen sich der Wäscheposten am häufigsten aufhält, während dunkelblaue Felder für Bereiche stehen, in denen die Wäsche nicht angetroffen wird. Als quantitative Größe dient da-bei das Verhältnis des Zählers an einer Stelle mit der Gesamtan-zahl an gefundenen Pixeln.

ErgEBnisDieses Verfahren hilft, den aktuellen Zustand bzw. die Position des Wäschepostens in der Trommel zu erfassen und bei Fehlbe-wegungen den Grad der eingebrachten mechanischen Energie anzupassen. So ist es zukünftig möglich, noch ressourcenspa-render und textilschonender zu waschen.

intEntionIn Deutschland werden jährlich über 600 000 Tonnen Wasch-mittel, sechs Milliarden Kilowattstunden Strom und zirca 330 Millionen Kubikmeter Trinkwasser zur Wäschepflege in Privat-haushalten verwendet. Pro Person werden dabei wöchentlich etwa vier Kilogramm Wäsche gewaschen; insgesamt über 20 Millionen Tonnen Textilien. Ziel ist es, in der Stadt der Zukunft durch ressourcensparendes Waschen und effiziente Wäsche-schonung einen Beitrag zu einer langen Nutzung der Textilien zu leisten.

koopErationZur Erforschung des Waschprozesses wurde 2011 das Projekt »Simulation Wäschepflege« gegründet. Projektpartner sind die Beuth Hochschule für Technik Berlin, die Hochschule für Tech-nik und Wirtschaft Berlin, die Technische Universität Berlin so-wie der Industriepartner BSH Hausgeräte GmbH. Die mecha-nischen Vorgänge innerhalb des Waschprozesses werden mit Hilfe numerischer Simulationen genau untersucht und neue

Verbesserung der Wäschepflege mit Hilfe von Häufigkeitsanalysen

• proF. Dr.-ing. JoAcHiM Villwock · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected] • M.eng. cHriStiAn oertel · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected] • M.Sc. kAtHArinA ellMer · hochschule für technik und Wirtschaft Berlin · [email protected]

• Gläserne Waschmaschine zur Positionserfassung

• Häufigkeitsver-teilung (links) und zeitlicher Vergleich der Verteilung (rechts)


Spritzgießen optischer Bauteile aus Cycloolefinpolymeren und -copolymerenEinlEitung Cyclolefinpolymere (COP) und -copolymere (COC) stehen bei der Herstellung optischer und medizintechnischer Produkte zunehmend im Wettbewerb zu den seit vielen Jahren bekann-ten transparenten Thermoplasten, wie Polymethylmethaacrylat (PMMA) oder Polycarbonat (PC) sowie Glas. Diese Kunststoffe sind besonders prädestiniert für den Einsatz in Mobiltelefonen, Tablet-Computern, LED-Leuchten oder der Photovoltaik. Spritz-gießversuche mit COC, COP und PMMA liefern hier wichtige Er-kenntnisse für die industrielle Verarbeitung.

spritzgiEssEn mit kaltkanalanguss im BEhEiztEn wErkzEug PMMA, COC und COP werden in eine Form mit zwei unterschied-lichen Kavitäten gespritzt. Eine Kavität besitzt konzentrische Strukturen mit dreieckigem Rillenprofil ähnlich einer Fres-nel-Linse, während in dem anderen Formnest eine planebene Scheibe mit einem Durchmesser von 42 mm entsteht. Die Verar-beitung erfolgt hier auf einer universellen Spritzgießmaschine »Allrounder 221K« mit 25 mm Durchmesser Schneckenplastifi-ziereinheit.

• proF. Dr. Jörg ScHMütz · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected]

strukturEn BrEmsEn diE schmElzEDie Simulation macht die Ausbreitung der Fließfronten deut-lich. Die Simulation lässt mit allen drei Kunststoffen fehlerfreie Abformergebnisse erwarten. In der strukturierten Form wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schmelze gebremst.

Diese Strömungswiderstände im Fließweg der Schmelze können in der Realität zu einer Aufteilung der Fließfront und zur Bildung unerwünschter Bindenähte führen. Sind die abzuformenden Strukturen hingegen hinreichend klein, so wird keine Aufteilung der Schmelze in geteilte Fließfronten beobachtet. Die Abbildun-gen ganz unten zeigen ein optisches Beugungsgitter mit einem Gitterabstand von 10 Mikrometern.

• Bewegliche Werkzeughälfte mit Formteile (links) sowiestrukturiertes Spritzgießteil (rechts)

• In PMMA abgeformtes optisches Beugungsgitter. Draufsicht (links)und Profilschnitt (rechts)

• Formfüllvorgang mit COC in der Simulation (links) und V-förmigeFließnähte an strukturierten Spritzgießteilen

• Spritzgießmaschine Arburg Allrounder 221K


LIFE SCIENCE

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LIFE SCIENCE

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MEDIEN- & KOMMUNIKATIONS- TECHNOLOGIEN

RESEARCH DAY 2015 – STADT DER ZUKUNFT — TAGUNGSBAND – 21.04.2015

MEDIEN- & KOMMUNIKATIONSTECHNOLOGIEN

80 RESEARCH DAY 2015 – STADT DER ZUKUNFT

Towards a Taxonomy for Error Management in Big Data Analytics SystemsEduard Bergen, M.Sc.1; Prof. Dr. Stefan Edlich1

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Informatik und Medien

Kurzfassung

Moderne Urbane Technologien basieren massiv auf Verfahren, um große Datenmengen zu ana-lysieren, die von den Einwohnern stetig erzeugt werden. Dies sind zum Beispiel unsere mobilen Handydaten, Navigationsdaten beim Fahren oder Daten, die für Werbung genutzt werden. Diese extremen Daten werden dann dazu verwendet, Vorschläge zu unterbreiten, Vorhersagen zu tref-fen oder sonstige Analysen durchzuführen. Dennoch wurde bisher eher Forschung zum Manage-ment von Fehlern der Umgebung durchgeführt und die Lösung von Fehlern in einer UDF (User Defined Function) bisher noch vernachlässigt. Dieser Beitrag entwickelt daher eine Taxonomie für alle Ebenen, um den Lösungsraum spezifischer adressieren zu können.

Abstract

Modern urban technologies are full of analytic systems which are mining insights from the data its population produces. Whenever we use mobile technologies, move around using naviation systems or are a target for advertisements we create massive datasets which are used for rec-ommendation, predictions and other statistics. However limited research has been conducted so far to manage errors which are results from User Defined Functions (UDFs) in contrast to environment problems. This paper describes a taxonomy of all errors that could occur in Big Data Analytics systems in order to address specific layers properly.

IntroductionCurrently many systems for big data analytics appear as Apache Flink, Apache Spark, Cloudera Impala and many more. Not only the analytic technology stacks are increasing, other stacks are increasing too: The monitoring stack, the surrounding development stack, the library stack, the virtualizing stack. In such kind of complex environment it is crucial to lay the foundations of what we are talking about when problems and errors occurs. Therefore we also propose a four-dimensional taxonomy in this area.

TerminologyWe are aware that some work and taxonomies in distributed systems and similar areas have been made [Tan 06] [Elm 06] [Zel 06]. Furthermore any approach – including the one presented here – will be incomplete by definition of open systems. In the following text we first look at the “what” happened and find terms for this. Next we look at the “where” did it happen with the focus on technology stack. Also we look at “why” did it happen and finally which actions can be taken.

Consequently we start with the basic terms in this area: ■ Defect: Typically a defect is created by a programmer as a mistake in the program code.

This is also known as a fault.■ Error: An Error describes a fault which results in a state that is different from the ex-

pected one. This could typically be in a program or in a system yielding conditions that trigger the unexpected behaviour.

■ Failure: The failure is the specific wrong behaviour caused by a possible error caused by some wrong preconditions. The failure could be seen in the executing system.

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■ Bug: The term bug is usually used as the term error but normally refers to a wrong part in the software system. Hence it does not refer to the wrong behaviour of the executing system but rather to a false written code as a / b where b is not prevented to be zero. But nevertheless it could simply also be something different from the users expectation. Actually the complete system and the programmer’s code could be working correct but yielding a different result from the user’s expectation. Therefore he calls it a bug. Which in turn also could mean that the system is not yet complete or has to be changed ac-cording to meet the users expectations.

The next step is to classify what happened. This is mostly divided into two groups:A. A system / environment problemB. A problem with the result

The first part A is in most cases a crash, meaning that the system is going to halt. In complex big data analytic systems we mostly have many working machines, often redundancy and ma-nagement systems with failover mechanisms which are often embedded as in Hadoop / YARN. For this reason it has to be completely defined if there is a full stop, a partial misfunction which could be repaired automatically or not. In this area we have the entire bunch of crash-classes as exceptions, locks, race conditions, endless calculations [Tan 06].

The second part B refers to an unexpected result if the system worked correctly. This could be 1) a wrong result 2) a partial wrong result (subdivided in an inaccurate result or a partial correct result) or 3) no result (or even a too late result). The latter had been an interesting point of research [Cha 09] because the result could be correct but the query definition could be wrong. Thus it could be useful to obtain information what mostly caused the operation to exclude all elements.

The Big Data Analytics StackAfter we have looked on the “what” has happened we have to define the “where” did it happen. And at least in two layers there are differences to classical distributed systems. So the common architecture in big data analytics does look like this:

Fig. 1: Architectural Layers in the Big Data Analytics Stack

The major differences are the UDFs and the more and more ubiquitous streaming layer. UDFs are User Defined Functions and they encapsulate self-written logic for data. Typically these are calculations or transformations with the data. The important point for errors and debugging here is firstly: the UDFs are more error-prone then classical SQL or Hive requests because all kind of user-generated exceptions can happen here. Secondly: with the rise of the internet of things and live web-analytics (e.g. using Twitter) we see more streaming applications. But learning, predic-ting, real-time extraction and debugging on streams are still in the early days. [Gre 13]



Error CausesAs stressed before we have to distinguish between the visible effect of the error and the root cause of the error. Thus the why in this part differentiates between the root causes of the visible failures. The following picture shows an overview of possible categories.

Fig. 2: Overview of possible error categories

Though there are a lot of different categories known in the literature, the high-level categories consist of timing, computation, data, logic, integration, commands and user interface (UI) errors [Rea 90].

Actions and AnalysisThere is a huge amount of actions that can be taken around errors in distributed systems:

1. preventing: This could be on the system side as ensure failover, provide more RAM up to formal proofs on the software side.

2. predicting: A new field in this area is the prediction of errors before they even happen.

3. perceiving: To perceive errors anyway as many errors might be invisible or hidden in the result. Normally this is a crashing execution system followed by a log analysis.

4. reproducing: Reproducing is done as a good practice in regression tests and combined with isolating the problem.

5. curing: This means simply to correct the error that has been perceived.

Most emphasis is normally taken on to point 4, reproducing the error by doing either a local or a remote debugging. In massive parallel systems this is problematic due to the sheer amount of execution locations and dependencies. It might be additionally extremely costly to reproduce the error even with logging enabled. As this might produce a comparable amount of data to analyse as the data itself. Hence the points 1 and 2 are gaining evermore attention.

SummaryWe have shown four dimensions in addressing problems in big data analytic systems that can be aligned in a flow like this:

Fig. 3: Sequence around problems complex distributed systems

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An extensive taxonomy for error management must describe these four dimensions. Then it will be possible to denote at least a 3-tupel of (why, what, where) to describe any research tools or mechanisms that will properly address point 4 “actions”.

It is interesting to see that the current ecosystem around massive parallel distributed systems evolves around the prevention of errors in terms of monitoring and failover systems. However as the complexity of big data analytic systems increases in terms of the four V’s of big data (volume, velocity, variety and veracity), research has to go beyond failover. Error data has to be gathered around every part of the system to gain experience what could go wrong and to predict problems before they occur. This is due to the sheer time and money pressure in big data ana-lytic systems and has to go from formal verifications up metrics to RAM prediction algorithms.

References[Cha 09] Chapman, Jagadish : Why not?, SIGMOD’09

[Gre 13] Gregg, Brendan : Systems performance: Enterprise and the Cloud, Prentice Hall, Inc. Upper Saddle River, NJ, USA, 2013

[Rea 90] Reason, James : Human Error, Cambridge University Press, New York, NY, USA, 1990

[Tan 06] Tanenbaum, Andrew S. and Van Steen, Martin : DISTRIBUTED SYSTEMS: Principles and Paradigms Second Edition, Prentice-Hall, Inc. Upper Saddle River, NJ, USA, 2006

[Elm 06] Elmasri, Ramez and Navathe, Shamkant B. : Fundamentals of Database Systems: International Edition, 5/E, Addison-Wesley Longman Publishing Co., Inc. Boston, MA, USA, 2006

[Zel 06] Zeller, Andreas : WHY PROGRAMS FAIL: A Guide to Systematic Debugging, dpunkt.verlag, Heidelberg, Germany, 2006

Figure References

Figure 1: Architectural Layers in the Big Data Analytics StackFigure 2: Overview of possible error categoriesFigure 3: Sequence around problems complex distributed systems

This work is generously funded by the Federal Ministry of Education and Research under the reference number 01IS14013D and was created as a part of the BBDC.berlin project.

KontaktProf. Dr. Stefan Edlich

Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich VI / Informatik und Medien Luxemburger Straße 10, 13353 Berlin

Telefon: (030) 4504-2255 E-Mail: [email protected] Internet: http://prof.beuth-hochschule.de/edlich

Gefördert durch:

Förderkennzeichen: 01IS14013D



Logik zur Simulation von Laborversuchen für eine Game Based Learning Anwendung Prof. Dr. Felix Alexander Gers1; Prof. Dr. Steffen Prowe2

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Informatik und Medien2 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Life Sciences and Technology

Kurzfassung

Zur Vorbereitung von Laborversuchen in der Mikrobiologie setzen wir eine Game Based Lear-ning (GBL) Anwendung ein. Studierende simulieren mittels der GBL-Anwendung die komplexen, nebenläufigen Prozesse der realen Experimente. Mittels der Logik der Anwendung sollen die Versuche realitätsnah simuliert werden. Dazu werden alle im Labor durchzuführenden Abläufe auf eine Netzwerkstruktur als Ablaufdiagramm abgebildet. Das Ablaufdiagramm kann im UML-Format zur Laufzeit in die GBL-Anwendung geladen werden.

Abstract

In preparation of laboratory experiments in microbiology we use a game-based learning (GBL) application. Students simulate by means of GBL the complex, concurrent processes of the real experiments. The logic of the application allows for a realistic simulation of the experiments. All processes that should later be carried out in the laboratory are mapped to a network structure as a flow chart. The flow chart in UML format can be loaded at runtime into the application.

Einleitung Game Based Learning (GBL) verbindet spielerische Elemente mit einer Lernanwendung [Det 11] [Rig 11] [Fuc 14]. GBL hält derzeit Einzug in unterschiedliche Bereiche von schulischer und univer-sitärer Lehre und industrieller Ausbildung [Det 11a]. Studien gehen davon aus, dass der Bereich in den kommenden Jahren weiter an Relevanz gewinnen wird [Gar 12].

Wir nutzen GBL für die Vorbereitung von Laborübungen im Fach Mikrobiologie. Ab dem 2. Fach-semester Biotechnologie erlernen die Studierenden in ihren Pflicht-Laborpraktika grundlegende und vertiefende Techniken der Mikrobiologie und erhalten parallel zu einer theoretischen Vorle-sung praktische Bezüge. Die Laborversuche laufen entsprechend eines komplexen nebenläufigen Prozessplans ab. Es ist die Aufgabe der Studierenden den Ablauf der Prozesse selbständig zu planen und im vorgegebenen Zeitrahmen erfolgreich durchzuführen. Die zur Vorbereitung tradi-tionell eingesetzten schriftlichen Anleitungen (Skripte) ermöglichen lediglich eine analoge und eindimensionale Vorbereitung und Anleitung zu den Themen der Laborübung. So sind nicht alle Studierenden nach einer „konventionellen“ Vorbereitung in der Lage den Transfer in die prakti-sche Laborübung zu vollziehen. Entsprechend erstreckt sich der Betreuungsaufwand, neben der stets notwendigen aktiven Unterstützung während der Laborübungen, auch auf grundlegende Erklärungen zum Sinn der Theorie als auch auf Hinweise zur Abfolge der Arbeitsschritte. Damit die Studierenden die Labore und die Betreuung in den Übungen optimal ausnutzen können, sollen die Vorbereitungen der Versuche mittels GBL effektiver gestaltet werden [Bon 14]. Die Studierenden sollen in einer GBL-Anwendung [BHT 13] mit beliebigen Wiederholungen und zeit-lich unabhängig vom Kurstermin vorab versuchen den Prozessablauf möglichst realitätsnah und spielerisch zu erlernen und für sich zu optimieren. Solche Überprüfungen können auch als po-sitives Assessment-Tool angesehen werden, was von Wang [Wan 13] als förderlich beschrieben wurde. Zudem wurde von Bowling [Bow 13] ein Online-Tool im Mikrobiologielabor als hilfreich beschrieben.

Die GBL-Anwendung soll eine möglichst realistische Vorbereitung von mikrobiologischen La-borübungen ermöglichen, dazu sollen die Studierenden spielerisch in einem virtuellen Labor

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agieren können. Um das Versuchspensum im vorgegebenen Zeitrahmen zu absolvieren, gilt es die Abfolge von Schritten in nebenläufigen Teilprozessen strategisch so zu planen, dass diese optimal ineinander greifen. Um dies spielerisch umsetzen zu können, ergeben sich spezielle Anforderungen an die Logik der GBL-Anwendung. Diese und deren Umsetzung werden im Fol-genden beschrieben.

Anforderungen an die GBL-AnwendungDie GBL-Anwendung enthält eine game-basierte Simulation der dann später im Labor durch-zuführenden Vorgänge. Hierbei wird die Planung der experimentellen Abläufe nicht als Lernziel vorgegeben, sondern wird den Studierenden überlassen. Vor allem müssen parallel verlaufende Versuchsabläufe zeitlich gut getaktet werden, so dass geschickt zwischen einzelnen Versuchstei-len gewechselt wird. Nur so kann im vorgegebenen Zeitrahmen das Versuchspensum sinnvoll ab-solviert werden. Hieraus ergeben sich die folgenden Anforderungen an die Logik der Anwendung:

■ Alle Arbeitsschritte aus dem realen Labor können ausgeführt und nachvollzogen werden.

■ Fehlerhafte Arbeitsschritte werden sofort aufgedeckt und gewertet.■ Zu jedem notwendigen Arbeitsschritt gibt es im Spiel eine kontextsensitive Hilfe.■ Die Anforderung alle Schritte richtig durchzuführen ist notwendig, aber nicht

hinreichend, um einen Versuch optimal zu absolvieren.■ Ein begonnener virtueller Versuch kann, wenn auch nicht in der optimalen Zeit, stets

erfolgreich abgeschlossen werden.■ Gewertet werden die korrekten und falsch durchgeführten Arbeitsschritte, die für

einen Versuch benötigte Zeit und eine Geschicklichkeitswertung für die spielerische Interaktion in Labor.

■ Die Anwendung soll ohne neue Software entwickeln zu müssen, über ein rein graphisches Interface verfügen und um neue Laborübungen in spielbarer Form erweiterbar sein.

Logik der GBL-AnwendungIn der, der GBL-Anwendung zu Grunde liegenden Logik, wird die Komplexität der Abläufe der Laborversuche auf eine Netzstruktur abgebildet. Diese Netzstruktur, das Ablaufdiagramm, ver-knüpft Stränge von Arbeitsabläufen, die korrekt abgearbeitet und zeitlich richtig getaktet wer-

den müssen. Als Basismodell für die Logik der Prozesse wird ein modifi-ziertes, zyklenfreies Petrinetz-Modell eingesetzt. Die Knoten stellen Zwi-schenschritte bzw. Zwischenprodukte eines Prozesses dar. Die Anzahl der zu einem Zwischenprodukt zu kombi-nierenden und der daraus zur erzeu-genden neuen Produkte ist beliebig. Zwei Knoten sind jeweils über eine Transition miteinander verbunden. Über die interaktive Nutzung von Werkzeugen und die Kombination von Knoten gelangt man zu einen weiteren Zwischenprodukt. In einem Netz sind in der Regel mehrere Kno-ten aus unterschiedlichen Arbeits-strängen aktiv. Diese sind parallel Abb. 1: Ausschnitt aus dem Ablaufdiagramm für den Versuch

der Calciumbestimmung.



und zeitlich richtig aufeinander abgestimmt zu bearbeiten. In Abbildung 1 ist für den Versuch der Calciumbestimmung von Milch ein Ausschnitt aus dem zugehörigen Ablaufdiagramm abgebildet.

Die Knoten sind so angeordnet, dass der Ablauf von oben nach unten erfolgt. Bei den Knoten kann man Ausgangs- und Zwischenprodukte unterscheiden. Knoten für Ausgangsprodukte haben keine von oben kommenden, eingehenden Verbindungen. Die dunkel umrahmten, vertikalen Blöcke fassen jeweils eine Reihe von zusammengehörigen, nacheinander abzuarbeitenden Kno-ten und Transitionen zusammen. Sie entsprechen seriellen Arbeitsabläufen die zeitlich optimal aufeinander abgestimmt werden müssen, um die minimale Zeit zum Absolvieren des gesamten Versuches zu erreichen.

Implementierung der VersucheDie Anwendung soll ein graphisches Nutzerinterface zum Bearbeiten und Einpflegen der Logiken und medialen Inhalte (Grafiken und Geräusche) neuer Versuche enthalten.

Jeder Knoten des Ablaufdiagramms für einen Versuch enthält die Texte (dazu gehören Hinweise und kontextsensitive Hilfe), Grafiken und Geräusche, die im Spiel für das zugehörige Zwischen-produkt darzustellen beziehungsweise abzuspielen sind. In den Transitionen wird spezifiziert, welche Zwischenprodukte, eventuell unter Verwendung eines Werkzeugs, miteinander kombiniert werden können. Durch die Transitionen werden also die im Ablauf des Spiels möglichen Inter-aktionen bestimmt.

Ablaufdiagramme werden in der Unified Modelling Language (UML) grafisch erstellt. UML wird sonst üblicherweise zur Modellierung, Strukturierung und Darstellung von Software eingesetzt. Als Werkzeug zur Erstellung der Diagramme wird das freie und quelloffene Programm DIA genutzt [Gno 11]. DIA erlaubt es in der Programmiersprache Python eigene Exporter zu definieren und so ein Diagramm in einem selbst definierbaren Format auslesen und speichern zu können. Ein solcher in DIA eingebrachter Exporter erzeugt aus dem UML-Ablaufdiagramm für einen Versuch ein Script, das von der GBL-Anwendung eingelesen und interpretiert wird. Das Script steuert den Ablauf und die Darstellung des Versuches, welche mit der Torque Game Engine [Gag 09] realisiert wurde. Es kann zu Laufzeit der GBL-Anwendung jederzeit eingelesen werden. Beim Entwurf der Logik und Darstellung für einen Versuch ist es daher nicht notwendig zum Testen bei jeder Än-derung die GBL-Anwendung neu zu starten. Es wird lediglich das zugehörige UML-Diagramm neu aus DIA exportiert und in die GBL-Anwendung eingelesen. Diese Eigenschaft ist für eine effiziente Erstellung der Versuche unerlässlich.

ZusammenfassungZur Vorbereitung von Laborversuchen für Studierende wurde eine GBL-Anwendung entwickelt. Die Logik für die dazu notwendige game-basierte Simulation der Arbeitsvorgänge im Mikrobio-logielabor wurde auf der Basis einer Netzstruktur, als Ablaufdiagramm, umgesetzt. Dieses wird angelehnt an die Verarbeitung eines Petrinetzes ausgeführt. Parallel ablaufende Teilprozesse sind dabei zeitgleich aktiv und müssen zur Optimierung der Laborarbeitszeit von den Studie-renden aufeinander abgestimmt werden. Die Ablaufdiagramme der Laborversuche können im UML-Format mit der DIA-Software grafisch eingepflegt werden. Dabei ist jeder Knoten entweder einem Arbeitsschritt oder einem Zwischenprodukt des Versuchs zugeordnet. Er enthält die im Spiel damit assoziierten Texte, Grafiken und Geräusche. Das Ablaufdiagramm kann zur Laufzeit der GBL-Anwendung modifiziert und neu geladen werden. Diese Eigenschaft ist zur effizienten Erstellung der Versuchsabläufe und Inhalte unerlässlich. Die grafische Darstellung wird mittels einer Game-Engine realisiert.

DanksagungDieses Projekt wurde gefördert vom Stifterverband Deutsche Wissenschaft in Zusammenarbeit mit der Joachim Herz Stiftung im Rahmen der Initiative „Exzellenz in der Lehre“.

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Literatur[BHT 13] BHT (2013). GBL-Anwendung: http://public.beuth-hochschule.de/~gers/gbl[Bon 14] Bonde M., Makransky G, Wandall, Larsen M., Morsing M., Jarmer H, Sommer M.

(2014). Improving biotech education through gamified laboratory simulations. Nature Biotechnology 2014 Jul, 32, 694–697

[Bow 13] Bowling, K. G., Klisch, Y., Wang, S. & Beier, M. Examining an Online Microbiology Game as an Effective Tool for Teaching the Scientific Process. J MICROBIOL BIOL EDU 14, (2013)

[Det 11] Deterding, S., Dixon, D., Khaled, R., & Nacke, L. (2011). From game design elements to gamefulness: defining “gamification”. In Mindtrek 2011 Proceedings, MindTrek ’11 (S. 9–15). New York, NY, USA: ACM

[Det 11a] Deterding, S., Sicart, M., Nacke, L., O’Hara, K., and Dixon, (2011). Gamification: Using game-design elements in non-gaming contexts. Proc. CHI EA ‘11, ACM Press (2011), 2425-2428

[Fuc 14] Fuchs M., Sonia Fizek S., Ruffino P., Schrape N. (2014). Rethinking Gamification. ISBN: 978-3-95796-000-9, menson press, Lüneburg

[Gag 09] Garage Games (2009). Torque Game Engine (TGE), http://www.garagegames.com/[Gar 12] Gartner (2012). Gamification: engagement strategies for business and IT. Report

G00245563[Gno 11] Gnome (2011). DIA-Software, http://de.wikipedia.org/wiki/Dia_(Software) und

https://wiki.gnome.org/Apps/Dia[Rig 11] Rigby, S. & Ryan, R. M. (2011). Glued To Games – How Video Games Draw Us In and

Hold Us Spellbound. Santa Barbara, California: ABC-CLIO, LLC[Wan 13] Wang, J. T. H., Schembri, M. A. & Hall, R. A. How Much Is Too Much Assessment?

Insight into Assessment-Driven Student Learning Gains in Large-Scale Undergraduate Microbiology Courses. J MICROBIOL BIOL EDU 14, (2013)


Abbildung 1: Ausschnitt aus dem Ablaufdiagramm für den Versuch der Calciumbestimmung.

KontaktProf. Dr. Felix Alexander Gers


Telefon: (030) 4504-2529 E-Mail: [email protected] Internet: http://prof.beuth-hochschule.de/gers

Prof. Dr. Steffen Prowe

Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich V / Life Sciences and Technology Luxemburger Straße 10, 13353 Berlin

Telefon: (030) 4504-3903 E-Mail: [email protected] Internet: http://prof.beuth-hochschule.de/prowe

Gefördert durch:



Multi-Touch-Displays und Smartphones im Rettungseinsatz bei GroßveranstaltungenMark Gebler, M.Sc.1; Prof. Dr. Gudrun Görlitz1

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Informatik und Medien

Kurzfassung

Die Grundlage vieler mobiler Applikationen sind ortungsabhängige Dienste. Wie Einsatzkräfte in Havariesituationen und Notfalleinsätzen diese Dienste mit untereinander vernetzten Touch-screen-Modulen (Smartphones, Multi-Touch-Tische) nutzen können, wird im Rahmen des EFRE-geförderten Forschungsprojektes MoMo („Mobile Computing und Eco Mobility“) an der Beuth Hochschule für Technik Berlin seit Anfang 2013 untersucht. Es wird ein Gestenset für die Interak-tionen mit dem System ausgearbeitet.

Abstract

Basis functions of mobile application are location-based services usually. Numerous soft-ware-features indicate elements geo-located on a map. How can employees in emergency situations and emergency cases these functions with linked touchscreen modules like smart phones and multi-touch tables use? It is worked out a gesture-system for the interaction. Since 2013 it has been studied in the ERDF-funded research project MoMo („Mobile Computing and Eco Mobility“) at the Beuth University of Applied Science Berlin.

EinleitungBeobachtungen und Interviews der Leitstände der Polizei Berlin und der Johanniter-Unfallhilfe zeigen die nötigen Anforderungen des Systems und einer gestengesteuerten Interaktion. Im folgenden Kapitel wird eine Anwendungslösung mit GPS-basierter Koordinierung und touch-basierter Einsatzdisponierung vorgestellt. Hierbei wurde das entwickelte Gesten-/ Interaktions-konzept mit Multi-Touch-Modulen eingesetzt. Ein Ausblick der Arbeit zeigt die Vorhaben der Usability-Feld-Studie.

GPS-unterstützter RettungseinsatzDie Entscheidungsgrundlage verbessern und mit Überblick koordinieren – dafür muss das rich-tige Einsatzmedium für den speziellen Einsatztyp bereitgestellt werden. GPS-referenziert sind zukünftig alle Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer Karte zu verorten (Abbildung 1). Die Einsatzkräfte in der Leitstelle werden mit Multi-Touch-Tischen ausgestattet. Durch die zeitnahe Kommunikation mit den mobilen Geräten der vor Ort Tätigen stehen für die Handlungsentschei-dungen aktuellere und informationsreichere Daten zur Verfügung. Jede Mitarbeiterin und jeder Mitarbeiter im mobilen Einsatz wird mit einem Smartphone ausgestattet und öffnet damit den neuen Kommunikationsweg zur Zentrale. Eine zentrale Zusammenführung aller Daten in Echtzeit auf einer digitalen Landkarte von Einsatzwagen gibt hier den nötigen Überblick für die Einsatz-leitung.

Passiv-teilnehmende Beobachtung und zielgerichtete InterviewsIn der Einsatzleitzentrale der Berliner Polizei und der Leistelle der Johanniter-Unfall-Hilfe wurden passiv-teilnehmende Beobachtungen und zielgerichtete Interviews durchgeführt. Die Untersu-chungen fokussieren die Kommunikationen der Einsatzkräfte im Großraumeinsatz. Als Beispiel sei die Verwendung der Sprachkommunikation zu nennen. Eine Positionsangabe des Einsatzes ist derzeitig mittels des Funkgeräts an die anderen Einsatzkräfte sprachlich zu übermitteln. Für die Datenübertragung wurden die Anforderungen für ein Rückmeldeinstrument für eine Rettungs-leitstelle von Lenz et.al. (1) zusammengefasst. Diese Daten lassen sich auf das hier beabsichtigte

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Szenario übertragen und umfassen die Datengrundlage für die Kommunikation zwischen den Einsatzkräften und Leitstellen. (Aufzählung vgl.(1))

■ Erfassung qualitativer Daten (Notfallart)■ Erfassung quantitativer Daten (Notfallschwere)■ zeitlich schnelle Verfügbarkeit■ minimaler Erfassungsaufwand■ maximaler Datenrückfluss■ Akzeptanz bei allen Beteiligten■ Datenschutz■ vertretbarer Auswertungsaufwand

Die AAO (Alarm- und Ausrückordnung) umfasst die Grundregeln bei der Alarmierung und Ausrü-ckung. Hierbei werden auch die Alarmpläne der Einheiten beachtet, sodass keine Einheit dispo-niert wird, die schon in einem Einsatz ist. Hier lässt sich vermuten, dass eine durch GPS-geortete Einheit in der die AAO deutlich effektiver fungiert.

Das Funkmeldesystem (FMS) greift auf Zahlencodes zurück, die jeweils einem Status wie „Ein-satzbereit auf Wache”, „Ankunft am Einsatzort” oder „Sprechwunsch” entsprechen. Es wird FMS-Interaktion in die Anwendungsoberfläche mit intergriert. Als Beispiel aus der Beobachtung der Leistelle sei das folgende (im Beitrag gekürzte) Szenario zu zeigen:

Beispiel-Szenario – (…) Aktivisten gegen ein Ölunternehmen haben sich an einer Tankstelle an einem Flughafen an den Gasbehältern der Tankstelle festgekettet und behindern den Arbeits-ablauf des Flughafens (…)

Beobachtung in der Leistelle – Jeder EW (Einsatzwagen) wird nach dem derzeitigen Status (FMS) farblich markiert. Der Mitarbeiter in der Einsatzleitzentrale (ELZ) gibt den Einsatz ein und teilt einen einsatzbereiten EW zu. Der Leistellenmitarbeiter kann nur abschätzen welches, der vorhandenen EW sich am nächsten zum Einsatzort befindet. (...) Nach einem kurzen Sprach-dialog wird der beste Anfahrtspunkt zum Einsatzort vom Leitstellenmitarbeiter auf der Karte gesucht und dem EW übermittelt. Dies ist nötig, da dieser Ort nicht häufig angefahren wird. (...) Die Polizisten im EW geben Rückmeldung an die Leitstelle bei Ankunft am Einsatzort mit einer Beurteilung der Lage, sowie dem weiteren Vorgehen (…).

Abb. 1: Einsatzmenü am Multi-Touch-Tisch und am Smartphone



Spezifizierung technischer Anforderungen Multi-Touch-Displays sind besonders gut geeignet für die Koordinierung sehr komplexer Vor-gänge, in denen mehrere Personen zusammenarbeiten. Der nötige Überblick über alle mobilen Einheiten kann dadurch verbessert werden. Die Touch-Interaktion oder auch die Trackingmarker-Eingabe lässt eine Geschwindigkeitsverbesserung und eine intuitive und fehlerminimierende Handhabung vermuten. Eine Positionsübermittlung via Sprachkommunikation steht hier einer systemautomatisierten Übertragung gegenüber. Diese GPS-Unterstützung soll den Disponenten und den Fahrern insb. bei kurzfristig aufkommenden Fahraufträgen helfen. (vgl. (2), S.2) Die Frage, warum jedoch u. a. in der Logistikbranche nur wenige Geschäftslösungen mit Multi-Touch-Technologien angeboten werden, beantwortet Schlegel in (7) damit, dass „kaum spezifische Li-teratur zur Konzeption und Entwicklung solcher Systeme [(Multi-Touch)-Produkte] verfügbar ist.“ Er verweist darauf, dass bereits „Single-Touch-Anwendungen […] ganz andere Anforderungen stellen, als dies „klassische“ Desktop-Anwendungen tun.“ ((7), S. 8). Das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation Stuttgart entwickelt hier zum Beispiel einen Entwurf für die Organisation und Durchführung von Großveranstaltungen (8). Bei vielen Forschungsarbeiten in diesem Bereich offenbaren sich die enormen Vorteile, die für den Einsatz aktueller Technologie-standards in Rettungsszenarien sprechen.

Die Multi-User-Nutzung bei einer Einsatzerstellung erfordert zielführende Synchronisationsoptio-nen. Es wird eine serverinitialisierende Kommunikation angewandt. Die Technologien „Windows Phone 8“ und „Samsung Sur40 with Pixelsense-Technologie“ kommen bei gleichbleibender Pro-grammiersprache und -umgebung (C# / Visual Studio) zum Einsatz.

Gesten-/InteraktionskonzeptIn der Smartphone-Welt standardisierten sich die folgenden Gesten-Tap, Double-Tap, Tap&Hold, Touch&Drag (Drag-Flick), Pinch (Zoom-In) und Spread (Zoom-Out). Beim Multi-Touch-Display ha-ben die Objekteinteraktionen mehr Vielfalt und bieten oftmals auch mehrere Lösungen für Be-rührungen und Gesten an. In Abbildung 2 wird ein Überblick für das hier ausgesuchte Gestenset dargestellt. Die Tap-Geste wird für die Erstellung eines Einsatzes genommen. (Abbildung 2, Nr. 1) Hierbei ist der kognitive Aufwand von einer Einsatzerstellung und der gleichzeitigen Positi-onierung des neuen Einsatzes besonders hervorzuheben. Die Systemeingaben werden in einem „Tap“ zusammengeführt und es reduziert sich der Arbeitsaufwand. Direkt im Anschluss kann bei weiterhin gedrückter Berührung die Position angepasst werden. (Abbildung 2, Nr. 3) Jederzeit kann das Einsatzobjekt auf der Karte verschoben werden. Die automatische Synchronisierung der aktualisierten GPS-Daten erspart dem Nutzer weiteres Handeln.

Neben den Touch-Gesten werden ergänzend mit Trackingmarkern (Abbildung 2, Nr. 2) gekenn-zeichnete Modelle zur haptischen Informationsvisualisierung genutzt. Es wurden branchenüber-greifend zunächst verschiedene Spielzeug-/ Modellautos eingesetzt und mit den Tracking-Markern versehen. Durch die Auswahl des richtigen Objekts (Trackingmarker) wird die Information an das System übertragen. Dies lässt eine Geschwindigkeitsverbesserung und eine intuitive und fehler-minimierende Handhabung vermuten.

Die Dateneingabe eines Einsatzes, insb. der Einsatzmittel-Disponierung, wird anhand eines aus-gearbeiteten Schema mit einfachen und intuitiven Touch-/Klick-Berührungen durchgeführt. (Ab-bildung 2, Nr. 4) Die Kenntnis der Nutzer über eine Kartennavigation bei Multi-Touch-Displays wird hier genutzt und es werden folglich die Gesten in Abbildung 2 – Nr. 5 verwendet.

Mit Multi-Touch-fähigen Displays wird mehreren Nutzern das gleichzeitige Arbeiten an einem Display ermöglicht. Anwendungsseitig wird das durch bewegliche und mehrfach aufrufbare Ein-satz-Menüs realisiert. (Abbildung 2, Nr. 6) Die Karte ist ein bewegliches Objekt, welches mit den klassischen Touch-Bewegungen verschoben werden kann und welches die betreffenden georeferenzierten Einsatz-Menüs mitbewegt. Eine Bearbeitung mit mehreren Usern hat aber auch

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seine Einschränkungen. Sobald die Karte bewegt werden muss, beeinflusst dies alle Nutzer an dem Display. Für die Orientierung von Einsatzmenüs können diese Menüs dem jeweiligen Nut-zer zugeordnet werden. Die Erkennung der Hand vor der Berührung der Oberfläche gibt einen Rückschluss auf die Position des Nutzers am Multi-Touch-Tisch (frustrated total internal reflection (FTIR), vgl. (3)). Somit lassen sich die UI-Elemente (Einsatz-Menüs) nutzerorientiert bei Multi-User-Szenarien anordnen. Phleps und Block (4) präsentieren diesbezüglich weitere Ergebnisse für einen Multi-Touch-Konferenz-Tisch in einem Multi-User-Szenario.

Ausblick auf die Usability-Feld-StudieEine Usability-Studie wird den hier entwickelten Prototypen untersuchen. Für die Tests müssen nicht nur Expertinnen und Experten des Rettungsdienstes inkl. Leitstellemitarbeiter/-in zur Ver-fügung gestellt werden. In einer Videodokumentation wird aktuell der Umgang der derzeitigen Software für den Vergleich aufgezeichnet. Es werden dann die Aussagen qualitativer Natur, wie die Stärken und Schwächen des Systems, Aussagen der Benutzerakzeptanz und die Vergleichs-zeiten in der Bearbeitung untersucht. In Anlehnung an die Vorgehensweisen von Nielsen und Budiu sind bei Usability-Untersuchungen traditionelle Untersuchungen mit der Anwendung von think-aloud-Protokolls geeignet (vgl. (5), S. 23). Prümper klassifiziert den ISONORM als sehr pragmatisch, durch die inhärenten Vorteile des geringen Aufwandes und der einfachen Benut-zung (vgl. (6)).

ZusammenfassungDie Untersuchungen der Leitstellen zeigen deutliche Ähnlichkeiten bei den verwendeten Syste-men auf. Der Mehrwert der Entwicklung wird bei der Übertragbarkeit der Ergebnisse zu anderen Organisationen deutlich. Das Projekt stellt ein Set an Gesten und Interaktionen zusammen, welches die Systeminteraktionen im Rettungseinsatz abdeckt. Die Forschungslücke bei validen Gesten- und Interaktionskonzepten für Multi-User-Szenarien in dieser Branche soll mit diesem Projekt geschlossen werden. Ebenfalls steht dann ein Kommunikationskonzept für die Integ-ration mobiler Komponenten bereit. Das Design der Anwendungen ist bei den verschiedenen Plattformen kontinuierlich eingehalten, um die Austauschbarkeit der Geräte für die Mitarbeite-rinnen und Mitarbeiter beim Einsatz zu gewährleisten. Die Usability-Studie wird die Entwicklung schlussendlich validieren und die Benutzerzufriedenheit erfragen.

Abb. 2: Ausschnitt des derzeitig eingesetzten Gestensets



Literatur(1) Lenz, W., Luderer, M., Seitz, G., Lipp, M.: Die Dispositionsqualität einer Rettungsleitstelle.

In: Notfall & Rettungsmedizin (3) H. 2, S. 72 … 80, 2000

(2) Johanniter-Unfall-Hilfe e. V Landesverband Berlin/Brandenburg: GPS hilft bei der Koordination: Fahrdienst. In: Wir Johanniter in Berlin und Brandenburg 02/2014

(3) Han, Jefferson Y.: Low-cost multi-touch sensing through frustrated total internal reflection. In: the 18th annual ACM symposium, Patrick Baudisch u. a. (Hrsg.), S. 115, 2005

(4) Phleps, A., Block, M.: Entwicklung eines Multitouch-Konferenztisches. In: Informatik 2011: Informatik schafft Communities ; 41. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik e.V. (GI), 4.10. bis 7.10.2011, TU Berlin. GI-Edition / Proceedings 192, Hans-Ulrich Heiss (Hrsg.). Bonn: Ges. für Informatik, 2011

(5) Nielsen, J.; Budiu, Raluca: Mobile Usability: Für iPhone, iPad, Android und Kindle. In: Mobile Usability 2013

(6) Prümper, J.: Software-Evaluation based upon ISO 9241 Part 10 (Work & Technical Fund of the Ministry of Research and Technology of the Federal Republic of Germany) Internet 2015-01-21

(7) Schlegel, T. (Hrs.): Multi-Touch. Interaktion durch Berührung. Springer-Vieweg-Verlag, 2013

(8) Zibuschka, J., Laufs, U., Engelbach, W.: Entwurf eines kollaborativen Multi-Touch-Systems zur Planung und Abwicklung von Großveranstaltungen, 2011


Abbildung 1: Einsatzmenü am Multi-Touch-Tisch und am Smartphone

Abbildung 2: Ausschnitt des derzeit eingesetzten Gestensets

KontaktProf. Dr. Gudrun Görlitz



Internet: https://projekt.beuth-hochschule.de/ momo

Entstanden im Rahmen des MoMo-Projektes

Gefördert durch:

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Sensor-basierte Erkennung von Kopf- und KörpergestenJosef Rossa, M.Sc.1; Prof. Dr. Christian Herta1; Prof. Dr.-Ing. Thomas Schwotzer1

1 Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, Fachbereich Informatik, Kommunikation und Wirtschaft

Kurzfassung

In der Stadt der Zukunft kann Gestenerkennung auf vielfältige Weise als intuitive Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine genutzt werden. Hier wird ein Prototyp beschrieben, der auf einen Kopfhörer aufgesetzt wird und der in der Lage ist, acht verschiedene Körper- und Kopf-bewegungsgesten zu erkennen und zu unterscheiden. Dabei wird trotz der zum Teil ähnlichen Bewegungsmuster der Gesten eine sehr hohe Erkennungsrate erreicht, die für einen praktischen Einsatz ausreicht.

Abstract

Gesture recognition can be used as an intuitive interface for human computer interaction with many fields of applications in the city of future. This work presents a prototype put on a head-phone which can recognize eight different body and head gestures. Despite of the similarity of the movement patterns a very high recognition rate can be archived which is sufficient for practical applications.

Einleitung Ambient Intelligence erfordert neue Mensch-Maschine Schnittstellen, die über das Tastatur-Bild-schirm Paradigma hinausgehen. Als Input in das Computer-System kommen hierfür Gesten in Frage, die der Mensch mit seinem Körper und Kopf ausführt. Dies ist insbesondere für Anwen-dungsfälle sinnvoll, bei denen Hände und eventuell auch der Blick frei bleiben sollen oder müssen. In Kombination mit Augmented-Reality-Brillen oder Kopfhörern lassen sich unterschied-liche Anwendungen realisieren, wie das Einblenden von Anleitungen für Fachkräfte, interaktive Stadtführungen für Touristen (Einblenden von Erklärungen, historische Ansichten der Stadt, alte Karten u.v.m.) oder Museumsführer.

Wir haben eine Gestenerkennung entwickelt und mit einem Kopfhörer kombiniert. Im Gegensatz zu Smartphones wird der Content akustisch und nicht optisch angeboten. Die Gesten werden über Körper und Kopf ausgeführt. So können Interaktionssysteme realisiert werden, die über Gesten gesteuert werden. Über den Audiokanal wird ein Feedback oder gewünschte Informatio-nen an den Benutzer übertragen.

Verwandte ArbeitenKern des Prototypen ist die Gestenerkennung als Klassifikationsproblem. Aus den Zeitreihen der Sensordaten sollen die Gesten erkannt werden.

Hierfür gibt es verschiedene Ansätze, wie die Anwendung des Dynamic-Time-Warping Algorith-mus (vgl. [AKL 11] und [LIU 09]), die Klassifikation mittels Support Vector Machines (vgl. [ZHE 08]) oder Neural Networks (vgl. [NIE 09]).

Einige Klassifikatoren arbeiten dabei direkt mit den Zeitreihen ([NIE 09]). Meist werden aber unterschiedlichen Features (Merkmale) aus den Zeitreihen extrahiert, die dann als Input für die eigentlichen Klassifikatoren dienen. Bei der Feature Extraktion finden dabei Fast Fourier Transfor-mation (FFT), Discrete Cosine Transformation (DCT) und eine hybride Form aus FFT und Wavelet Packet Decomposition (WPD) Anwendung (vgl. [ZHE 08]). Ältere Arbeiten verwenden auch einfa-che statistische Merkmale der Werteverläufe.



HardwareDie prototypische Entwicklung eines solchen Kopfhörers umfasst die Hardwareplattform (siehe Abb. 1) und die Software zur Gestenerkennung. Das Gestenerkennungssystem basiert auf Bewe-gungsdaten, die Inertialsensoren aufzeichnen. Dazu wird ein 3-Achsen Beschleunigungssensor und ein 3-Achsen Rotationssensor auf einem Kopfhörer angebracht, wie Abb. 1 modellhaft zeigt. Sämtliche Transformationen des Kopfhörers im Raum sind dadurch auf den eingezeichneten Achsen erkennbar.

In dem Datenakquise- und Testsystem übermittelt ein Arduino-Board die Daten an einen Compu-ter. Dort werden die Daten weiterverarbeitet, persistiert oder es wird eine ad-hoc Gestenerken-nung auf den eingehenden Daten durchgeführt.

Ein paralleles Projekt an der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin entwickelte eine RaspberryPi basierte Hardwareplattform, auf der die Datenerfassung und die Gestenerkennung dezentral, direkt am Kopfhörer durchgeführt wird. Abhängig von einer konfigurierbaren Logik werden dann Audioinhalte am Kopfhörer ausgegeben.

Abb. 1: Modell Kopfhörer mit Sensormodul (Kopfhörer Modell aus [Wad] und Arduino Modell aus [Has])

Datensätze Abbildung 2 zeigt exemplarisch eine Graphik der aufgenommenen Daten einer Geste.

Abb. 2: Nicken von Testperson 15, 3. Durchführung

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In dem linken Koordinatensystem sind die Beschleunigungen auf den unterschiedlichen Achsen zur Geste „Nicken“ der Testperson 15 eingezeichnet. Das rechte Koordinatensystem stellt die Werteverläufe der Rotation bei dieser Geste dar.

In der zugrundeliegenden Studie wurden folgende acht Gesten mit 23 Probanden mehrfach durchgeführt:

■ RU: Rückwärts (Rückwärtsbewegung des Oberkörpers)■ V: Vorwärts (Vorwärtsbewegung des Oberkörpers)■ S: Springen■ KI: Kippen (des Kopfes)■ N: Kopfnicken■ KS: Kopfschütteln■ L: Linksdrehung (des Kopfes)■ R: Rechtsdrehung (des Kopfes)

Die aufgezählten Körpergesten wurden so gewählt, dass sich in ihren Mustern gewisse, schwer zu unterscheidende Eigenschaften ergeben. Die Geste Kopfschütteln enthält beispielsweise die Gesten Linksdrehung und Rechtsdrehung (sich enthaltende Gesten). Rückwärts/Vorwärts sowie Linksdrehung/Rechtsdrehung sind spiegelsymmetrische Gesten und es gibt Gesten die sich über-wiegend durch Translationen bzw. durch Rotationen auszeichnen. Diese Eigenschaften führen bewusst zu einem schwierigen Klassifikationsproblem.

Insgesamt führte die Studie zu einer Datenbasis mit 890 Datensätzen. 810 Datensätze bilden dabei die Trainingsdaten und 80 Datensätze die Testdaten, wobei die Anteile der Datensätze pro Geste annähernd gleich sind.

Das GestenerkennungssystemFolgende Grafik zeigt einen Überblick auf das Gesamtsystem:

Abb. 3: Systemübersicht



Wie bereits dargestellt, werden die Bewegungsdaten am Kopfhörer erfasst und an einen Compu-ter übertragen. Aus der vorgestellten Datenstudie ergeben sich die Trainings- und Testdaten. In diesen Daten werden anschließend die Gesten lokalisiert (Spotting). Das Spotting orientiert sich dabei an der Vorgehensweise aus [NIE 09]. In der Folge liegen dem System gespottete Daten vor. Die Datenreduktion kann optional auf die gespotteten Daten angewendet werden. Durch ein Clustering Verfahren werden ähnliche Datensätze dabei zusammengefasst und nur durch einen Stellvertreter repräsentiert. Auf diese Weise wird die Datenmenge reduziert, was sich insbeson-dere in der implementierten, abstandsbasierten Gestenerkennung positiv auf die Performance auswirkt.

Aus den gespotteten Daten werden außerdem Features extrahiert. Neben den Fourier Koeffizi-enten gehören zu diesen Features einfache binäre Features, bei deren Berechnung geprüft wird, ob definierte Schwellen in den Datensätzen überschritten werden. Außerdem existieren Features, welche die Werteverläufe in zeitliche Segmente aufteilen und in diesen Segmenten einfache ma-thematische Operationen ausführen (z. B. wird gezählt wie oft sich die Richtung des Graphen im Abschnitt ändert). Die höchsten und niedrigsten Werte in einem Datensatz sind weitere Features der Extraktionskomponente.

Auf Basis der Features wird anschließend ein Klassifikator trainiert. Die besten Ergebnisse (be-stimmt per Kreuzvalidierung) erzielte dabei eine SVM. In den Testdaten waren pro Geste 10 Beispiele vorhanden. Dabei wurden 2 Gesten falsch klassifiziert:

Abb. 4: Konfusionsmatrizen des SVM Klassifikators (links) und der abstandsbasierten Klassifikation (rechts) auf den Testdaten

Direkt mit den gespotteten Daten operiert die abstandsbasierte Gestenerkennung. Ihr liegt der DTW Algorithmus zugrunde. Ein zu klassifizierender Datensatz wird durch die Anwendung des DTW mit sämtlichen Stellvertretern der gespotteten Daten verglichen. Eine Mehrheitsentschei-dung, der am nächsten liegenden Datensätze führt anschließend zur Klassifikation des Datensat-zes. Dieses Verfahren erreichte, dass 77 von 80 Gesten der Testdatenmenge richtig klassifiziert wurden.

Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit ist ein Gestenerkennungssystem entstanden, welches die Klassifikation von Körpergesten auf zwei verschiedene Arten realisiert. Die Erkennungsraten beider Verfahren auf den Testdaten sind etwa gleich: ca. 96 Prozent bei der abstandsbasierten Gestenerkennung und ca. 97 Prozent bei der Klassifikator-basierten Gestenerkennung. Das abstandsbasierte Ver-fahren ist aber weniger stabil und weniger performant als die Klassifikator-basierte Gestener-kennung.

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In einem weiteren Projekt an der HTW Berlin wurde die Gestenerkennung bereits erfolgreich auf einem Kopfhörer getestet, der als eigenständiges System funktioniert. Trotz beschränkter Hardware Ressourcen kann der Kopfhörer in Echtzeit auf Gesten reagieren und dem Benutzer über den Audiokanal Feedback geben. In einer Stadt der Zukunft hat ein solcher Kopfhörer das Potential als intuitive Schnittstelle zwischen Mensch, Maschine und Umwelt zu agieren.

Literatur[Akl 11] A. Akl, Chen Feng und S. Valaee. A Novel Accelerometer-Based Gesture Recognition

System. In: Signal Processing, IEEE Transactions on 59.12 (Dez. 2011), S. 6197-6205. issn: 1053-587X. doi: 10.1109/TSP.2011.2165707

[Has] Hasan snk. Arduino UNO R3 – 3D Warehouse url: https://3dwarehouse.sketchup.com/model.html?id=eb438876b2527c31e843694a2a37ae2. Zugriff 11.04.2014 12:09 Uhr

[Liu 09] Jiayang Liu u. a. Wave: Accelerometer-based personalized gesture recognition and its applications. In: Pervasive Computing and Communications, 2009. PerCom 2009. IEEE International Conference on. März 2009, S. 1-9. doi: 10.1109/PERCOM.2009.4912759

[Nie 09] G. Niezen und G.P. Hancke. Evaluating and optimising accelerometer-based gesture re-cognition techniques for mobile devices. In: AFRICON, 2009. AFRICON ‚09. Sep. 2009, S. 1-6. doi: 10.1109/AFRCON.2009.5308175

[Wad] Wade. Headphones – 3 D Warehouse. url: https://3dwarehouse.sketchup.com/ model.html?id=5acf58974a81ba7ea7b482715d4b6103. Zugriff 11.04.2014, 12:05 Uhr

[Zhe 08] Zhenyu He u. a. Gesture recognition based on 3D accelerometer for cellphones inter-action. In: Circuits and Systems, 2008. APCCAS 2008. IEEE Asia Pacific Conference on. Nov. 2008, S. 217-220. doi: 10.1109/APCCAS. 2008.4745999

AbbildungsverzeichnisAbbildung 1: Modell Kopfhörer mit Sensormodul (Kopfhörer Modell aus [Wad] und Arduino Modell aus [Has])Abbildung 2: Nicken von Testperson 15, 3. DurchführungAbbildung 3: SystemübersichtAbbildung 4: Konfusionsmatrizen der Testdaten

KontaktProf. Dr. Christian Herta

Hochschule für Wirtschaft und Technik Berlin Fachbereich 4 / Informatik, Kommunikation und Wirtschaft Wilhelminenhofstraße 75A, 12459 Berlin

Telefon: (030) 5019-3498 E-Mail: [email protected] Internet: http://people.f4.htw-berlin.de/ lehrende/herta.html



Green IT – Innovative Kühlung von Rechenzentren mittels AdsorptionskälteanlagenProf. Dr.-Ing. Paul Kohlenbach1; Frederik Frövel, M.Eng.1; Robert Vieweg, M.Eng.11 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Maschinenbau, Veranstaltungstechnik, Verfahrenstechnik

KurzfassungDieses Paper beschreibt die innovative Kombination eines Blockheizkraftwerkes mit einer Ad-sorptionskältemaschine zur Kühlung von Rechenzentren. Der Fachbereich VIII der Beuth Hoch-schule für Technik untersucht in Kooperation mit einem Berliner Hersteller das dynamische Betriebsverhalten solcher Adsorptionskälteanlagen. Das Paper präsentiert eine Fallstudie aus Berlin sowie ein softwarebasiertes Simulationsmodell zur Abbildung der internen dynamischen Vorgänge von Adsorptionskältemaschinen.

Abstract

This paper describes the innovative combination of a cogeneration plant with an adsorption chiller for the cooling of data centers. Faculty VIII of Beuth University for Applied Sciences inves-tigates the dynamic performance of said adsorption chillers in cooperation with a Berlin-based manufacturer. The paper presents a case study from Berlin as well as a software-based simula-tion model for modelling the internal dynamic processes of adsorption chiller.

Einleitung Der Kühlbedarf für festplattenbasierte Server macht über die Hälfte des Gesamtenergiebedarfs von Rechenzentren und Serverräumen aus, Tendenz steigend. Der Betrieb von Kompressions-kälteanlagen (KKM) zur luftbasierten Klimatisierung der Rechenzentren ist Stand der Technik. Der hohe Strombedarf dieser Anlagen und steigende Stromkosten sind jedoch zunehmend ein wirtschaftliches Argument, Adsorptionskälteanlagen (AdKM) als Alternativen zur Kühlung der Ser-ver einzusetzen. Derzeit werden zunehmend große Rechenzentren in nördlichen Breitengraden (z. B. Finnland, Norwegen) gebaut, um die niedrigen Aussentemperaturen zur Kühlung einsetzen zu können (sog. freie Kühlung). Auch seewasserbasierte Kühlsysteme für Rechenzentren sind umgesetzt worden. Dabei werden auch neue Entwicklungen der Speicherkomponenten einge-setzt, welche direkt mit Kühlwasser durchströmt werden. In einem Rechenzentrum treffen typi-scherweise drei Anforderungen aufeinander: extrem hohe Kühllasten, ein hoher Strombedarf für die Speicherelemente und eine unterbrechungsfreie Bereitstellung von beidem, um Datenausfall zu vermeiden. Aufgrund dieser Anforderung werden in der Regel zwei voneinander unabhängige Energiequellen zur Versorgung eingesetzt. Diese können redundante Stromversorger sein (z. B. Netz, USV und Backupgenerator), aber auch die parallele Verwendung von Gas und Strom. Eine solche geforderte Redundanz eröffnet die Möglichkeit, ein Blockheizkraftwerk (BHKW) zur Strom-versorgung des Datenzentrums einzusetzen und die Abwärme des BHKW’s zum Antrieb einer Ab- oder Adsorptionskältemaschine einzusetzen. Die bei der Stromerzeugung im BHKW erzeugte Abwärme wird direkt zur Kältemaschine geleitet und dort in nutzbare Kälte umgewandelt. Der Einsatz einer strombetriebenen Klimatisierung erübrigt sich dadurch. Die Autoren des Fachbereich VIII der Beuth Hochschule untersuchen in Kooperation mit einem Berliner Hersteller von Adsorptionskälteanlagen das dynamische Verhalten dieser Anlagen. Es wird im Rahmen des Förderprogramms „Forschungsassistenz VII“ des Europäischen Sozialfonds (ESF) ein Kooperationsprojekt durchgeführt. Der Kooperationspartner benötigt ein softwareba-siertes Simulationsmodell zur Abbildung der internen Vorgänge von Adsorptionskältemaschinen. Ein Simulationsmodell der Adsorptionskältemaschine wurde im Rahmen des Projekts erstellt und die Ergebnisse validiert. Der für die Validierung verwendete Prüfstand der Kältemaschine exis-tierte bereits an der Beuth Hochschule, musste allerdings zu diesem Zweck modifiziert werden.

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Fallstudie Green ITFür die Kühlung eines Rechenzentrums in Berlin wurde durch den Hersteller eine Kombination aus einem erdgasbetriebenen Gasmotor-Blockheizkraftwerk und einer Adsorptionskältemaschine realisiert (Abb. 1). Die Abwärme des Motors stellt die Antriebswärme für die AdKM dar, so dass neben der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) des Rechenzentrums auch die Server-racks gekühlt werden. Diese Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) wird mit einem Einspeisebo-nus nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütet.

Abb. 1: Anlagenschema des Green IT-Systems in Berlin

Das BHKW erzeugt eine elektrische Leistung von 20 kWel bzw. 40 kW

th thermisch und hat im

KWK-Betrieb einen Gesamt-Wirkungsgrad von 88 %. Die AdKM stellt 20 kWth Kälte bereit und

benötigt dafür lediglich ein Viertel der elektrischen Energie einer herkömmlichen Kompressions-kältemaschine. Die restliche thermische Energie des BHKW wird in Form von Heizwärme für das Gebäude bereitgestellt. Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der AdKM-BHKW-Kombination und einer herkömmlichen Kälteversorgung mit einer Kompressionskälteanlage.

Einheit AdKM & BHKW KKM

Stromkosten für Kühlung € / a 3678 14339

Brennstoffverbrauch kWhch

/ a 462108 0

erzeugter Strom kWhel / a 147874 0

Investitionskosten € 130.000 42.900

Spez. Kältekosten € ct / kWhth

15,2 24,5

Amortisationszeit a 3,8 -

Tab. 1: Verbrauchsparameter und Wirtschaftlichkeit im Vergleich

Trotz deutlich höher erstmaliger Anschaffungskosten des AdKM-BHKW-Systems liegen die spezi-fischen Kältekosten um 38 % niedriger als bei dem KKM-System. Eine Amortisationszeit von ca. 4 Jahren machte diese Kombination sehr attraktiv für den Betreiber des Rechenzentrums. Die Kilowattstunde Kälte kann so deutlich günstiger zur Verfügung gestellt werden (Abb. 2). Durch die effiziente Nutzung der im Brennstoff enthaltenen Energie bei der Kraftwärmekopplung des Gasmotors verringert sich weiterhin der CO

2- Ausstoß bei einer Nutzung von AdKM & BHKW auf

ca. 64 % des Ausstosses einer vergleichbaren Kompressionskältemaschine mit Netzanschluss, siehe Abb. 3 und Tabelle 2.



Abb. 2: Stromverbrauch und spezifische Kosten der Kältebereitstellung

Abb. 3: CO2-Emissionen

Parameter Einheit Wert

Stromkosten € ct / kWh 17,8

Brennstoffkosten € ct / kWh 6,2

CO2-Emissionsfaktor Erdgas g / kWh 227

CO2- Emissionsfaktor Netzstrom

(bundesdeutscher Mix)g / kWh 595

Energiepreissteigerung p.a. % 7,0

Inflationsrate % 3,0

Tab. 2: Parameter für Wirtschaftlichkeitsrechnung

Der Vorteil der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung bezüglich der CO

2-Emissionen ist abhängig vom

Emissionsfaktor des Brennstoffes sowie des zum Vergleich herangezogenen Netzstromes. So kann die CO

2-Bilanz in anderen Ländern deutlich besser ausfallen. Die Wirtschaftlichkeit des

KWKK-Systems hängt vom KWK-Bonus und dem durchschnittlichen Strom- und Brennstoffpreis ab. Generell sind die Investitionskosten für ein solches System höher als für herkömmliche Kom-pressionskälteanlagen, Tabelle 1, die spezifischen Kosten der Kältebereitstellung jedoch deutlich niedriger. Die Investitionskosten der AdKM-BHKW-Kombination amortisieren sich (natürlich in Abhängigkeit des jeweiligen Strompreises) i.d.R. nach wenigen Jahren.

Anlagensimulation und -validierung Zur exakten Auslegung der oben beschriebenen KWKK-Anlagen sind softwarebasierte Simulati-onswerkzeuge hilfreich [Koh 14]. Insbesondere die genaue Abbildung des zeitlich veränderlichen Anlagenverhaltens der AdKM ist von Interesse. Bei Beginn des Projektes lagen beim Koope-rationspartner bereits Modelle für einzelne Komponenten einer Adsorptionskältemaschine vor. Allerdings war kein Modell zur Vorhersage der Performance der gesamten Maschine verfügbar. Die Erstellung eines solchen Gesamtmodells wurde durch die Beuth Hochschule durchgeführt.

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ModellbeschreibungDas Modell wurde auf Basis experimenteller Untersuchungen durch ein Large-Temperature-Jump (LTJ) Verfahren an Silikagel-Schüttungswärmetauschern entwickelt [Ari 08], [Sap 14]. Dabei wird zunächst ein verkleinertes, aber maßstäbliches Modell eines Silikagel-Schüttungswärmetauschers in einem Kinetik-Prüfstand auf sein zeitliches Verhalten bei Wasserbeladung vermessen. Im Ki-netik-Prüfstand wird das Sorptionsmaterial unter Bedingungen untersucht die denen in einer AdKM nachempfunden sind. So soll eine möglichst unkomplizierte Übertragung der Messungen auf das Modell ermöglicht werden, ohne detaillierte Informationen über den inneren Aufbau des Sorptionsmaterials haben zu müssen. Aus den so gewonnenen, zeitabhängigen Beladungsdaten wird auf Basis des Linear-Driving-Force (LDF) Ansatzes ein temperatur- und druckabhängiger Systemparameter ermittelt [Kas 88]. Dieser schließt Wärmeübergangswiderstände, Diffusionswi-derstände, Druckverluste, Wärmeleitung, -strahlung und Konvektion im Adsorbens und Adsorbat sowie Materialqualität ein. Der Systemparameter wird dann in ein numerisches Softwaremodell integriert.

Folgende thermodynamischen Annahmen wurden für das Modell getroffen:■ keine Wärmeverluste/-übertragungen an die Umgebung und an Nachbarkammern,■ keine Berücksichtigung von Inertgasen und Degradation des Adsorptionsmaterials,■ Wärmeübertragung mit konstanten Wärmedurchgangskoeffizienten und -Flächen■ wärmeübertragende Flächen (Lamellen, Rohre) und das Transportmedium haben stets

die gleiche Temperatur,■ in der WRG findet ein vollständiger Austausch der sensiblen Wärme ohne Übertragungs-

verluste durch Rohrleitungen statt und■ konstante Kältemittelmenge.

Das numerische Modell beinhaltet Energie- und Massenbilanzen der einzelnen Komponenten der AdKM. Es verwendet Iterationsverfahren, um zeitdiskrete Ergebnisse zu liefern. Das Modell ist in Visual Basic for Application (VBA) geschrieben. Auf eine exakte Beschreibung der zugrundliegen-den mathematischen Gleichungen wird hier aus Platzgründen verzichtet.

ValidierungsmessungenDie Messungen zur Validierung des Simulationsmodelles wurden an einer AdKM der Firma In-vensor, Typ LTC 10e, durchgeführt. Diese befindet sich an der Beuth Hochschule in einen Prüf-stand integriert. Neben der anlagenintegrierten Messtechnik wurden alle hydraulischen Ein- und Ausgänge der AdKM mit PT 100 Widerstandsthermometern versehen und der Volumenstrom aller Wasserkreisläufe wurde, wie im Anlagenschema (Abb. 4) gezeigt, gemessen. Die einzelnen Kreisläufe werden jeweils aus 1000 l Pufferspeichertanks gespeist. Der HT-Pufferspeicher des An-triebskreises wird mit 3 elektrischen Heizstäben von je 12 kW

el beheizt. Die Abwärme der AdKM

wird über den MT-Speicher teilweise dazu verwendet, dem Kältekreislauf (NT) fortlaufend Wärme zuzuführen, teilweise wird diese über einen Tischkühler aus dem Rückkühlkreis an die Umgebung abgeführt. Mit dem 3-Wege-Mischventil wird die Zumischung von Abwärme zum Verdampfer re-guliert (d.h. ein Kälteverbraucher simuliert). Damit wird sichergestellt, dass der NT-Pufferspeicher des Kältekreises eine konstante Temperatur halten kann.

Die Validierung des Modells wurde bei den im Kinetik-Prüfstand verwendeten internen Tempera-turen und Drücken durchgeführt, um die Anwendung und Vergleichbarkeit der Ergebnisse sicher-zustellen. Abb. 5 zeigt den Vergleich aus gemessenen und (mit gleichen Eingangsparametern) simulierten Parametern der AdKM.



Abb. 4: Anlagenschema der AdKM im Prüfstand der Beuth Hochschule, Labor KEE.

Abb. 5: Vergleich der gemessenen und simulierten Kaltwasseraustritts-temperaturen der AdKM.

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Zusammenfassung Dieses Paper beschreibt die innovative Kombination eines Blockheizkraftwerkes mit einer Ad-sorptionskältemaschine zur Kühlung von Rechenzentren. Der Fachbereich VIII der Beuth Hoch-schule für Technik untersucht in Kooperation mit einem Berliner Hersteller das dynamische Betriebsverhalten solcher Adsorptionskälteanlagen. Die Fallstudie zeigt, dass aufgrund der deutlich besseren Brennstoffnutzung des AdKM-BHKW-Systems die spezifischen Kältekosten um 38 % niedriger als bei einem herkömmlichen System mit Kompressionskältemaschine (KKM) liegen. Eine Amortisationszeit von unter 4 Jahren machte diese Kombination sehr attraktiv für den Betreiber des Rechenzentrums. Der CO

2- Ausstoß bei einer Nutzung von AdKM & BHKW

verringert sich auf ca. 64 % des Ausstoßes einer vergleichbaren Kompressionskältemaschine mit Netzanschluss. Es wurde ein Simulationsmodell der Adsorptionskälteanlage erstellt. Zur Validierung der Ergebnisse aus der Simulation wurden Messungen an einer realen Anlage an der Beuth Hochschule für Technik durchgeführt. Der Vergleich der Messergebnisse mit den Si-mulationsergebnissen zeigt sehr gute Übereinstimmung. Die mittlere Abweichungen betragen 4 % bei der Temperatur und 1 % bei der Zeit.

Literatur[Ari 08] Aristov, Y. (2008): Dynamic analysis of adsorptive heat transformers: optimal adsor-

bent. Proc. of VII Minsk Int. Seminar „Heat pipes, heat pumps, refrigerators, power sources“. Minsk, Russia, Sep. 2008

[Kas 88] Kast, W. (1988): Adsorption aus der Gasphase, Ingenieurwissenschaftliche Grundlagen und technische Verfahren, VCH-Verlag

[Koh 14] Kohlenbach, P. und Jakob, U. (2014): Solar Cooling – The Earthscan Expert Guide to Solar Cooling Systems. Routledge 2014

[Sap 14] Sapienza A., Santamaria S., Frazzica A., Freni A., Aristov Y. (2014): Dynamic study of adsorbers by a new gravimetric version of the Large Temperature Jump method. Ap-plied Energy 113 (2014), 1244-1251


Abbildung 1: Anlagenschema des Green IT-Systems in Berlin

Abbildung 2: Stromverbrauch und spezifische Kosten der Kältebereitstellung

Abbildung 3: CO2-Emissionen

Abbildung 4: Anlagenschema der AdKM im Prüfstand der Beuth Hochschule, Labor KEE.

Abbildung 5: Vergleich der gemessenen und simulierten Kaltwasseraustrittstemperaturen der AdKM.

KontaktProf. Dr.-Ing. Paul Kohlenbach



Gefördert durch:



Multi-Channel-Beiträge für interaktive Kommunikation und WissenstransferProf. Dr. phil. Jürgen Lohr1; Tim Gehrmann, B.Eng.1; Sebastian Riedel, M.Sc.11 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Informatik und Medien

Kurzfassung

In dem Szenario Stadt der Zukunft spielen Kommunikation und Wissenstransfer eine wesentli-che Rolle. In dem Forschungsprojekt „Mediensysteme für Business-TV“ wird eine Multi-Channel-Technologie erforscht, welche es erlaubt Vorträge aufzuzeichnen und live zu übertragen, so dass sowohl der Präsentator als auch seine Folien in einem interaktiven Player betrachtet werden können.

Abstract

In the scenario “Stadt der Zukunft” communication and transfer of knowledge play a major role. The residents are intercultural and decentralized – associated with them the competencies. The approach is the transfer of multilingual content with the freedom to choose the perspective to open a world of unlimited communication over the Web.

EinleitungHeutige Bildungseinrichtungen müssen sich der immer rasanteren kulturellen und technologi-schen Entwicklung der Gesellschaft anpassen. Die Nachfrage nach frei zugänglichem Wissen und individuellen Lernkonzepten steigt, und doch ist der Einsatz neuer Medien auch heute noch kein Standard. Eine neue, an der Beuth Hochschule erforschte, Multi-Channel-Technologie erlaubt die Bereitstellung interaktiver und individuell anpassbarer Medienbeiträge. Ein weiterer Schritt in die Zukunft des E-Learning.

Hauptteil Das Kompetenzzentrum „Stadt der Zukunft“ der Beuth Hochschule für Technik Berlin vereint die Gesamtheit aller Forschungsaktivitäten rund um das Leben, der Infrastrukturen und urbaner Tech-nologien der Hochschule. Im Rahmen dieser drei Kompetenzcluster forschen Wissenschaftler/-in-nen in Kooperation mit Unternehmen der Wirtschaft an Projekten, die sich den Herausforderungen des künftigen Urbanen Lebens annehmen.

Im Rahmen des Kompetenzclusters Infrastrukturen für die „Stadt der Zukunft“ befasst sich Prof. Dr. phil. Jürgen Lohr mit seinen Forschungsassistenten Sebastian Riedel (M.Sc.) und Tim Gehr-mann (B.Eng.) in dem Forschungsprojekt „Medien-Systeme für Business-TV“ mit der Entwicklung eines Systems zur Übertragung von mehrkanaligen Medienbeiträgen über das Internet. Im Fokus des Projektes stehen dabei die Aufzeichnung, Übertragung und Bereitstellung von Vorlesungen, Schulungen, Präsentationen und weiterer Anwendungsbereiche im Multi-Channel-Verfahren, bei dem beliebig viele Video- und Audiospuren synchron verarbeitet und übertragen werden.

Vorträge und Präsentationen, die im Multi-Channel-Verfahren übertragen und aufgezeichnet wer-den, bieten die Möglichkeit mehr Informationen bereitzustellen als es die weit verbreiteten Single-Channel-Verfahren können. Der Einsatz eines interaktiven Players gestattet es dem Client, die unterschiedlichen Kanäle zu selektieren. So kann sich der Betrachter bei der Übertragung ei-ner Präsentation, bei der der Präsentator synchronisiert wird, die von Dolmetschern übersetzten Sprachen aussuchen. Weiterhin kann der Client zwischen den unterschiedlichen Videokanälen wählen und den Ton nach seinen Wünschen anpassen.

Ebenso wie der Unterricht an Schulen und die Vorlesungen an Hochschulen und Universitäten unabdingbar sind, so sind Schulungen, Vorträge und Präsentationen nach wie vor unablässige

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Bestandteile interner und externer Unternehmenskommunikation. Während an Hochschulen und Universitäten immer öfter Online-Studiengänge und E-Learning Angebote vorhanden sind, stehen Firmen mit vielen Mitarbeiter/innen und unterschiedlichen Standorten vor der schwierigen Aufga-be zentralisiertes Wissen und Informationen weit verbreiten zu müssen. Wie sieht eine Infrastruk-tur aus, die es erlaubt mehrkanalige Medienbeiträge und deren vielschichtigen Informationen zu übertragen und interaktiv bereit zu stellen?

Der Einsatz von Webcasting-Applikationen ermöglicht das Livestreamen und Bereitstellen von Präsentationen und Vorträgen im Internet als Video- und Audiomaterial. Während der bisherige, weit verbreitete Einsatz von Kollaborations-Tools (z. B. Cisco WebEx, MS Lync) lediglich die Kommunikation und Zusammenarbeit von wenigen hundert Teilnehmer/innen ermöglicht, kann mithilfe einer Webcasting-Applikation eine „one to many Kommunikation“ realisiert und eine unbestimmte Menge an Teilnehmer/innen erreicht werden. Das Archivieren und Bereitstellen der produzierten Inhalte, erlaubt dem Betrachter nicht nur einen ortsunabhängigen sondern auch einen zeitunabhängigen Zugriff.

Im Jahr 2011 wurde an der Beuth Hochschule das hochschuleigene Videoportal, die BeuthBox, entwickelt. Dieses erlaubt es dem Nutzer Videos anzusehen und hochzuladen. Vor allem Auf-zeichnungen von Hochschulevents, wie dem Hochschultag, der Langen Nacht der Wissenschaft oder dem Besuch des Bürgermeisters von Berlin, Klaus Wowereit, können auf der BeuthBox an-gesehen werden. Als reines Videoportal ist die BeuthBox derzeit nur in der Lage Single-Channel-Videos, also Videos mit einem Videokanal und einem Audiokanal, wiederzugeben.

Einige Hochschulveranstaltungen, wie beispielsweise der alljährliche Hochschultag, werden seit 2012 im Dual-Channel-Verfahren aufgezeichnet und als Livestream im Internet zur Verfügung gestellt. Für die Betrachtung der Dual-Channel-Videos wird ein spezieller Videoplayer benötigt, der zu diesem Zweck von dem Projektteam BeuthBox an der Beuth Hochschule entwickelt wurde.

Abb. 1: Dual-View-Player am Beispiel des Hochschultages 2014

Abbildung 1 zeigt einen Ausschnitt von dem Hochschultag 2014 im an der Beuth Hochschule entwickelten Dual-View-Player. Dieser Player ermöglicht die Darstellung von zwei Videokanälen bei denen der Zuschauer die Größe der einzelnen Videos selbst auswählen kann.



Der Einsatz von Medien für die Kommunikation und den Wissenstransfer der „Stadt der Zukunft“ erfordert Technologien, welche die kommunizierten Inhalte übertragen und zeitunabhängig zur Verfügung stellen. Die Verfügbarkeit der Multi-Channel-Beiträge soll auf den unterschiedlichsten Endgeräten gewährleistet sein. Vom Smartphone bis zum Fernseher soll die Unterstützung bei gleichbleibender Qualität sichergestellt werden.

Die aktuelle Forschung im Bereich der Videostreaming Technologie beschäftigt sich zunehmend mit MPEG DASH. Die Standardisierung dieser Technologie im Jahr 2012 hat jetzt einen stabi-len Zustand erreicht, so dass die Übertragungen realisiert werden können. MPEG DASH steht für dynamisches bitraten-adaptives Streaming und wird mittels des allgegenwärtigen Hypertext Transport Protocol durch alle Netze geleitet.

Eine unterbrechungsfreie Übertragung wird garantiert, indem Geschwindigkeitsschwankungen der Datenübertragung in Telekommunikationsnetzen ausgeglichen werden. Diese Unterbre-chungsfreiheit der Datenübertragung wird durch die ständige, automatisierte Anpassung der Datenrate für Audio und Video erzielt. Durch Nutzung verschiedenster Audio und Videocodecs, können vom Streaming-Server verschiedenste Endgeräte, wie z. B. PC, Tablet und Smartphone erreicht werden. Es wird mit der Übertragung von einer kleinen Bandbreite begonnen und sich Stück für Stück zur höchsten verfügbaren Qualität hochgearbeitet, wenn die entsprechende Bandbreite zur Verfügung gestellt wird.

Für die Übertragung der Video- und Audiokanäle wird das im Jahr 1995 standardisierte MPEG-TS genutzt, ein Verfahren für Übertragungssysteme mit geringer Stabilität wie beispielsweise DVB-T. Der Übertragungsstrom wird auch dann nicht unterbrochen, wenn die Verbindung zwischen Sen-der und Empfänger gestört ist. Zwar können einzelne Pixel- und Bildfehler auftreten, welche beim Betrachten von Videos jedoch nicht oder nur selten vom Betrachter wahrgenommen werden, da der Gesamtkontext zumeist erkennbar ist.

Der Einsatz des MPEG-TS Standards bei Internetübertragungen stellt eine unterbrechungsfreie Übertragung auch bei schwankenden Bandbreitekapazitäten sicher. Bei der Übertragung einer Vorlesung aus der Hochschule kann beispielsweise die maximale Bandbreite nicht immer zur Verfügung gestellt werden. Der Vorteil den MPEG-TS ist demnach, die Fehlertoleranz in Bezug auf die Netzwerkverbindung.

Für die Übertragung von Multi-Channel Material kann demnach die Transportstreamtechnologie MPEG-TS zur Aufzeichnung, Verwaltung und Übertagung bis zum Streaming-Server Verwendung finden. Innerhalb eines solchen Transportstroms können beliebige A/V Kanäle transportiert wer-den. Diese Technologie ermöglicht somit die Individualisierung von Medienbeiträgen. Der Be-trachter selbst kann aus einem solchen Transportstrom individuell auswählen, welche Kanäle er betrachten oder hören möchte. Nachdem für die Speicherung der Medienbeiträge eine geeignete Technologie ausgewählt wurde, ist die Übertragung dieser zu den Endgeräten der nächste Schritt.

Im Kompetenzzentrum der Stadt der Zukunft bedeutet die MPEG DASH Technologie, dass be-liebige Endgeräte über beliebige Zugangskanäle erreicht werden können. Für die Distribution von Audio- und Videomedien über MPEG DASH und das bitraten-adaptive Streaming ist die Konvertierung der Medien in unterschiedliche Qualitäten notwendig. Dies kann entweder ma-nuell geschehen, indem die Medien in kleinere Qualitätsstufen neu zusammengestellt werden oder automatisiert mit einem Streaming Server wie der Wowza Streaming Engine. Der Streaming Server encodiert dabei in Echtzeit die Medien neu und in festgelegten kleineren Qualitätsstufen. Zusammen mit MPEG DASH kann ein Client dann eine seiner Bandbreitenkapazität ausreichende Qualitätsstufe wählen und die Medien in der den Umständen entsprechenden Qualität abspielen.

Abbildung 2 zeigt die Darstellung eines Gesamtsystems für die Aufzeichnung einer Veranstaltung und die Übertragung dieser zu verschiedenen Endgeräten wie Tablet oder PC. Im Zentrum dieses Gesamtsystems steht ein Streaming Server. Dieser nimmt das Signal der Aufzeichnung entgegen und publiziert diese weiter zu den Endgeräten. An dieser Stelle erfolgt die Wandlung von einem

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MPEG-TS Datenstrom zu einem MPEG-DASH Datenstrom. Während der Wandlung kann der Stre-aming Server auch die Rolle der Transcodierung übernehmen. Diese ermöglicht es den Endgerä-ten, unterschiedliche Qualitätsstufen darstellen zu können und damit das bandbreitenadaptive Betrachten von Inhalten.

Durch die zunehmende Internationalisierung in der Stadt der Zukunft gewinnt die Multilingualität mehr Bedeutung. Für die Kommunikation und den Wissenstransfer sind daher die Auswahl von verschiedenen Audiokanälen und damit die Auswahl von unterschiedlichen Sprachfassungen ebenso von Bedeutung wie die Auswahl der passenden Perspektive eines Medienbeitrages. Im Bereich der Kunst und Kultur ist das Abmischen von Ton und Musik beispielsweise bei Konzerten wichtiger Bestandteil der Gesamtkomposition. Die Möglichkeit des Betrachters die Abmischung selbst vornehmen zu können, soll ebenso Bestandteil einer Stadt der Zukunft sein.

Seit dem Wintersemester 2014 werden in einem Pilotprojekt die Vorlesung Multimediatechnik Audio und Video von Prof. Dr. phil. Lohr im Multi-Channel-Verfahren aufgezeichnet. Die Ausspie-lung von Multi-Channel-Beiträgen ist aufgrund der technischen Beschränkungen der eingangs-erwähnten BeuthBox nicht möglich. Um die Daten für die BeuthBox nutzbar zu machen, werden in diesem Fall je ein Videokanal von der Präsentation und dem Professor zu einem Bild-in-Bild-Video zusammengefügt.

Abbildung 3 zeigt einen Ausschnitt aus der, in der BeuthBox publizierten, Vorlesung Multimedia-technik Audio von Prof. Dr. phil. Lohr.

Abb. 2: Überblick einer Übertragung

Abb. 3: Aufzeichnung einer Vorlesung im Bild-in-Bild-Verfahren



In Zukunft soll die BeuthBox soweit erweitert werden, dass Vorlesungen, die im Multi-Channel-Verfahren aufgezeichnet oder gar gestreamt werden, voll automatisiert und mit allen Medi-enkanälen zum Abruf bereitgestellt werden können. Die denkbaren Anwendungsbeispiele für Livestreaming und Video on Demand im Multi-Channel-Verfahren sind jedoch weitaus vielseitiger als nur für den Einsatz bei Präsentationen. Die Anwendung dieser Technologie bei der Über-tragung eines Musikkonzertes, könnte es dem Betrachter erlauben, die einzelnen Tonspuren selbständig abzumischen. So entsteht ein ganz individuelles Hörerlebnis, da Instrumente oder Gesang, vollständig nach den eigenen Vorlieben angepasst werden können. Weiterhin stünde es dem Betrachter frei zwischen den Kameraperspektiven zu wechseln und somit nicht nur sein eigener Tonmeister sondern auch Regisseur zu sein. Medienobjekte, wie Bauchbinden, Logos, Sprachen, Untertitel, Grafiken, Videos und Präsentationen, werden voll automatisiert zu einem Beitrag zusammengefügt. Kulturelle Veranstaltungen können mit der Auswahl von Szenen und Audiospuren individuell angepasst und somit einem größeren Interessentenkreis zur Verfügung gestellt werden. Audio- und Videoanleitungen werden mit differenzierten Sprachen und Filmen hinterlegt sein um auf die speziellen Wünsche und Anforderungen von Kulturen eingehen zu können. Ebenso kann im Bereich der Bildung ein größerer Sprach- und Kulturraum abgedeckt werden und die Bildung so internationalisiert werden. Ein weiteres denkbares Szenario wäre eine Liveübertragung, welche voll automatisiert und computerisiert in sämtliche Sprachen übersetzt wird. Ohne großen Zeitaufwand und Personaleinsatz könnten die so übersetzten Medienbeiträge eine sehr viel größere Publikumszahl erreichen. Die simultan übersetzten Sprachen könnten parallel auch als Untertitel zur Verfügung stehen und somit einen großen Beitrag für barrierefrei-es Wissen leisten.

Das Angebot von Fernstudium und E-Learning würde um einen weiteren großen Faktor wachsen. Überfüllte Hörsäle könnten reduziert werden, wenn Studierende die Vorlesungen live zu Hause mitverfolgen können. Erweiterte Funktionen wie Video- und Textchat werden dem Multi-Channel-Streaming eine Rückkanalfähigkeit bringen, die eine direkte Kommunikationsmöglichkeit für bei-de Seiten darstellt.

Die Infrastruktur der „Stadt der Zukunft“ muss ausgebaut und optimiert werden, um die hoch-schulinterne Kommunikation zu erleichtern und somit bereits errungene Kenntnisse und For-schungsergebnisse aus unterschiedlichen Fachbereichen bündeln und zusammenfassen zu können. Eine Webcasting-Applikation zur Speicherung und internen Veröffentlichung von multi-medialen Beiträgen ist ein geeignetes Medium für die Kommunikation innerhalb der Hochschule. Vorlesungen und wissenschaftliche Präsentationen können zur Verfügung gestellt werden und erlauben einen zeitunabhängigen Zugriff.

Zusammenfassung Das Kommunizieren und Verbreiten von Informationen ist eine Notwendigkeit für den Fortschritt einer Gesellschaft. Besonders in Gesellschaftskreisen, in denen immer mehr Kulturen aufein-andertreffen und die Multilingualität stetig wächst, werden Medien benötigt, mit welchen alle Kulturkreise erreicht werden können. Somit ist eine Lösung für mediale Beiträge mit Multipers-pektive und Mehrsprachigkeit nicht zu umgehen.

Die MPEG-TS Technologie bietet die Möglichkeit Medienbeiträge mit beliebig vielen Audio- und Videokanälen zu übertragen und diese zu individualisieren. Mit dieser Entwicklung können Infor-mationen für mehrere Kulturkreise bereitgestellt werden.

Der Einsatz der MPEG-DASH Technologie ermöglicht die Verfügbarkeit audiovisueller Medien auf allen Endgeräten (mobil, stationär), wodurch der Zugang zu Informationen erheblich verein-facht wird.

Multi-Channel-Beiträge sind ein großer Fortschritt für individualisierte, interaktive Kommunikati-on und den Wissenstransfer einer Gesellschaft.

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Abbildung 1: Dual-View-Player am Beispiel des Hochschultages 2014

Abbildung 2: Überblick einer Übertragung

Abbildung 3: Aufzeichnung einer Vorlesung im Bild-in-Bild-Verfahren

KontaktProf. Dr. phil. Jürgen Lohr


Telefon: (030) 4504-2364 E-Mail: [email protected] Internet: https://prof.beuth-hochschule.de/lohr

Gefördert durch:



„Smart Learning“ für die handwerkliche WeiterbildungProf. Dr. Agathe Merceron1; Dr.-Ing. Jost-Peter Kania2; Christopher Sidney Krauss, M.Sc.3; Dr. Michael Scharp4; Miggi Zwicklbauer, M.Sc.31 Beuth Hochschule für Technik Berlin2 Handwerkskammer Berlin3 Fraunhofer-Institut für offene Kommunikationssysteme4 Institut für Zukunftsstudien und Technologiebewertung (IZT)

Kurzfassung

Das vom BMBF finanzierte Projekt „Smart Learning – Medieneinsatz in der handwerklichen Wei-terbildung“ (SLHw) steht für die Umsetzung eines neuen Weiterbildungskonzeptes. Multimediale Lernobjekte werden erstellt und in einem neuartigen Repository gespeichert. Die Lernenden werden durch eine innovative Lernbegleiter-App unterstützt, sie erhalten durch Learning Ana-lytics Hinweise über die Lernfortschritte. In diesem Beitrag werden die Hauptaufgaben der Beuth Hochschule, das Erstellen des Repositorys und die Entwicklung der Learning Analytics Kompo-nente, präsentiert.

Abstract

The project « Smart Learning – digital media in vocational training » (SLHw) is funded by the Federal Ministry of Education and Research. The aim of this project is to develop a new concept for vocational training. Multimedia learning objects will be created and stored in a novel repos-itory. Learners will be assisted by an innovative learning companion app and receive advices on their progress through learning analytics. This contribution presents the work packages of Beuth University of applied sciences: the design and implementation of the repository and of the learning analytics component.

Einleitung Das am 01.10.2014 begonnene Projekt SLHw erfolgt in der Förderlinie „Digitale Medien in der beruflichen Bildung“ des BMBF und wird von vier Partner durchgeführt: der Handwerkskammer Berlin2 (Projektleitung), der Beuth Hochschule für Technik1, dem Fraunhofer-Institut für offe-ne Kommunikationssysteme3 und dem Institut für Zukunftsstudien und Technologiebewertung (IZT)4. Ausgangspunkt ist die Entwicklung eines mediendidaktischen Konzepts für den Kurs der Gebäudeenergieberater, die mit einem neuartigen didaktischen Smart Learning-Konzept ange-gangen werden soll.

Hauptteil Hintergrund

Das Vorhaben fokussiert auf die Fortbildung von Handwerksmeister/innen zum Gebäudeenergie-berater, welche durch Richtlinien oder Verordnungen des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie, des Zentralverbandes deutschen Handwerks und der Handwerkskammer Berlin geregelt ist. Diese Fortbildung erfolgte bisher traditionell durch einen Präsenzunterricht von 240 Stunden. Im Mittelpunkt standen hierbei mit Folien unterstützten Vorträge und Diskussionen. Selbstlernen und Aufgaben nahmen nur einen sehr geringen Raum ein. Die Fortbildung wird mit einer schrift-lichen Prüfung und mit der Erstellung eines Energieberichtes abgeschlossen.

Der Kern des Smart Learnings ist das Training eines kontinuierlichen, niveau-angepassten und handlungsorientierten Lernens, bei dem die Lernenden durch einen digitalen Lernbegleiter (in Form einer App) unterstützt werden. Die Lernbegleiter-App verfolgt den Lernprozess durch eine

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Learning Analytics-Software und stellt dem Lernenden bedarfsangepasste vielfältige digitale Me-dien inklusive audiovisueller Lernobjekte in einem Lernraumsystem bereit, die unter Beachtung der Erfolgsfaktoren für das E-Learning konzipiert wurden [SLHw 14].

Repository

Ein Repository wird für die Bereitstellung und Verwaltung aller Lernobjekte entwickelt. Es ist die Basis für die Verbindung der drei Hauptkomponenten des Projekts: digitale Medien, Lernbe-gleiter-App und Learning Analytics. Im Repository werden alle Lernobjekte gespeichert. Nutzer-Interaktionen mit den Lernobjekten müssen registriert werden, damit unter anderem die Learning Analytics Komponente den Wissensstand von Lernenden berechnen und diese Informationen dem Lernbegleiter kommunizieren kann.

Lernplattformen haben eine eigene Datenhaltung, meistens eine Datenbank, für Lernobjekte wie Folienpräsentationen, Dateien, Wissenstests usw. welche den Lernenden für ihr Studium zur Verfügung stehen. Wenn die Datenhaltung einer Lernplattform benutzt wird und der gleiche Kurs zum Beispiel an zwei Orten mit verschiedenen Lernplattformen angeboten wird, müssen die Lernobjekte zweimal gespeichert werden. Da nicht alle Handwerkskammern in Deutschland die gleiche Lernplattform benutzen, soll das zu erstellende Repository von verschiedenen Lernräu-men aus zugreifbar sein, insbesondere vom Lernraumsystem Moodle, das bei der Handwerks-kammer in Berlin im Einsatz ist. Mit dem Repository wird eine größere Wiederverwendung der Lernobjekte erreicht. Diese Lösung wird in der Abbildung 1 veranschaulicht.

Spezifisch für die Lernplattform Moodle wurden schon Plug-Ins für eine Reihe externer Reposi-torien erstellt, unter anderem für Dropbox, Flickr oder GoogleDocs [Moo 14]. Die meisten schon entwickelten Plug-Ins unterstützen Repositorien, die für eine öffentliche Bildungseinrichtung wie eine Handwerkskammer aus rechtlichen Gründen nicht einsetzbar sind. Ferner ist das Ziel nicht, allgemeine Lernobjekte über Energieberatung für eine breite Masse verfügbar zu machen, wie das Repository MACE1 für Architektur es macht. Vielmehr ist das Ziel eine Lösung angepasst für die Handwerkskammer-Ausbildung in Deutschland zu entwickeln, die nachhaltig und einfach zu warten ist – und zugleich auch durch viele Benutzer/innen geteilt werden kann.

Die Entwicklung einer Repository-Lösung erfordert eine sorgfältige Analyse mehrerer nicht trivia-ler Anforderungen, die zum Teil miteinander verbunden sind, darunter:

Speicherung von interaktiven Lernobjekten, wie z. B. Wissenstests unter Berücksichtigung des enthaltenen Feedbacks auf Eingaben der Nutzer/innen.

Teilung der Verantwortung der Speicherung der Nutzer-Interaktionen zwischen Lernplattform und Repository.

Formate für den Austausch zwischen Repository, Lernplattform, Lernbegleiter und der Learning Analytics-Komponente.

1 http://mace-project.eu/

Abb. 1: Repository und Lernplattform



■ Streaming-Unterstützung für Lernobjekte wie interaktive Videos, die sowohl auf PC, Tablets oder Smartphones angezeigt werden sollen.

■ Granularität der gespeicherten Lernobjekte (das gleiche Bild z. B. kann in einem Skript und in einem Screen Cast benutzt werden, nicht aber einzeln als Lernobjekt).

■ Pflege der Lernobjekte, Test-Umgebung und produktive Umgebung.■ Suche, Hinzufügen und Löschen von Lernobjekten.■ Benötigte Metadaten für Lernobjekte. ■ Sicherheit in Bezug auf den Datenzugriff und die Nutzerdaten.

Die zu entwickelnde Repository-Lösung ermöglicht einen ökonomischeren Umgang mit Speicher-platz und erweitert das Spektrum nutzbarer Medien und deren Distribution, und bedeutet einen entscheidenden wissenschaftlichen Fortschritt zum derzeitigen Stand der Technik.

Learning Analytics

Methoden des Learning Analytics unter Berücksichtigung des Datenschutzes werden genutzt, um das Lernverhalten und den Lernfortschritt der Studierenden zu untersuchen. Die Information wird an Lehrende für die Optimierung ihrer Lehre, an Autoren für die Optimierung der digitalen Medien und an Lerner durch den Lernbegleiter in Form von Empfehlungen weitergegeben. Ziel ist es, ein effizienteres Lehren/Lernen zu ermöglichen.

Es wurde früh erkannt, dass die Analyse der Nutzer-Interaktionen mit einer Lernplattform Infor-mationen über das Lernverhalten der Nutzer liefern kann, die zum besseren Verständnis und – folglich – zur Optimierung des Lehrens und Lernens führen kann. Pionierarbeit in der Anbindung von Analyseverfahren an eine Lernplattform wurde mit dem LMS LON-CAPA an der Michigan State University geleistet [MB 2005]. Seitdem hat die Anzahl der Arbeiten, die sich mit diesem Thema beschäftigen, enorm zugenommen und mit den Begriffen „Educational Data Mining“2 und „Lear-ning Analytics“3 bekannte Namen bekommen.

Quelloffene Lernplattformen haben nur eingeschränkte Möglichkeiten, Statistiken über die Be-nutzung der Lernmaterialien anzuzeigen, da diese Funktionalität nicht zu ihren primären Aufga-ben gehört und nur allmählich ergänzt werden. Statistiken über häufige Fehler in Selbsttests können sie beispielweise nicht automatisch erzeugen. Daher werden Tools entwickelt, die sich mit der Analyse der Benutzerinteraktionen in Lernplattformen beschäftigen. Die Tools AAT [GIR 11], GLASS [LFS 12], eLAT [DZT 11], oder LeMo [BEF 13, EFM 13] sind einige Beispiele von solchen nicht kommerziellen Tools. Das Tool AAT ist primär für „Learning Designers“ konzipiert. Der Prototyp GLASS ist Moodle spezifisch. Der eLAT-Prototyp ist lernplattformunabhängig konzi-piert, wurde aber bis jetzt nur mit dem L2P-Portal der RWTH Aachen eingesetzt. Das Tool LeMo, dessen Entwicklung an der Beuth-Hochschule in Zusammenarbeit mit der Firma eLeDia startete, wurde im Juli 2013 als quelloffene Anwendung veröffentlicht4. Es ist lernplattformunabhängig und wurde bereits zusammen mit den Lernplattformen Moodle, Clix und mit dem Lernportal ChemgaPedia eingesetzt. Es ist konzipiert, um von verschiedenen Akteuren benutzt zu werden – auch wenn vor allem der Akteur Dozent im aktuellen Tool implementiert wurde. Das Tool kann für andere Akteure wie Lernende oder Autoren weiterentwickelt werden. Daher bietet sich die Benutzung und Weiterentwicklung des quelloffenen Tools LeMo im Projekt SLHw besonders an. Abbildung 2 zeigt eine der Visualisierungen, die LeMo ermöglicht: die durchschnittliche Anzahl der Punkte, die Studierende für ausgewählte Wissenstests in einem Kurs erzielt haben, wird als Histogramm dargestellt. Damit die Ergebnisse der Tests vergleichbar sind, wurden alle Punkte auf 100 skaliert. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Test namens „Test 19Mai“ weniger gut als die anderen bestanden wurde.

2 http://www.educationaldatamining.org/3 http://www.solaresearch.org/4 http://www.lemo-projekt.de/

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Um die Ziele des Projekts SLHw zu erreichen, muss das Tool Lemo erweitert werden. Erweiterun-gen betreffen insbesondere folgende Aspekte:

■ Umfangreichere Speicherung und Berechnung von Nutzer Interaktionen mit Lernobjek-ten wie im Bericht [Pea 14] S. 32 angegeben.

■ Berücksichtigung der real-time-Aspekte für die Lernbegleiter-App.■ Auswahl und Implementierung der Algorithmen für die Empfehlung der nächsten

Lernschritte.■ Sicht der eigenen Lernvorschritte innerhalb des Kurses.■ Auswertung der Interaktionen für Autoren.

Diese Erweiterungen werden in enger Zusammenarbeit mit den Partnern erfolgen, insbesondere mit den Lehrenden und Lernenden der Handwerkskammer Berlin.

Abb. 2: Lemo-Visualisierung: Tests im Vergleich

Zusammenfassung Die erzielbaren Projektergebnisse insbesondere in Form der durch Learning Analytics unterstütz-ten Lernbegleiter-App und der Repository-Lösung auch für Streaming-Medien bergen sowohl ein erhebliches Innovationspotential als auch ein großes wirtschaftliches Potential für die Online-Bildungslandschaft. Sie werden in die bestehenden Online-Studiengänge und handwerkliche Weiterbildung einfließen und dort zu einer signifikanten Verbesserung des Lernerfolges (z. B. durch den Einsatz einer Lernbegleiter-App) beitragen. Mittel- und langfristig werden die Lear-ning Analytics Methoden zu einem wissenschaftlichen Erfolg im eLearning-Sektor und gerade im Kontext „Lebenslanges Lernen“ und „Berufliche Qualifizierung“ führen. Die Projektergebnisse werden die Position der Beuth-Hochschule als Bildungspartner für kleine und mittelständische Unternehmen stärken.

DanksagungWir danken Stefan Müller und Eva Schrade für Diskussionen und Hinweise bei der Erarbeitung des Forschungskonzepts. Das diesem Beitrag zugrundeliegende Vorhaben wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 01PD14002B ge-fördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.



Literatur[BEF 13] Beuster, L.; Elkina, M.; Fortenbacher, A.; Kappe, L.; Merceron, A.; Pursian, A.;

Schwarzrock, S.; Wenzlaff, B.: Learning Analytics und Visualisierung mit dem LeMo-Tool. In Proceedings of the 11. e-Learning Fachtagung Informatik DeLFI 2013, A. Breiter, C. Rensing (Eds), Bremen (Germany), September 09-11 2013, Gesellschaft für Informatik Publisher, ISBN 978-3-88579612-1, 245-250

[DZC 11] Dyckhoff A., Zielke D., Chatti M.A. und Schroeder U.: eLAT: An Exploratory Learning Analytics Tool for Reflection and Iterative Improvement of Technology Enhanced Learning, In Pechenizkiy, M., Calders, T., Conati, C., Ventura, S., Romero , C., and Stamper, J. (Eds.) Proceedings of the 4th International Conference on Educational Data Mining, 355-356

[EFM 13] Elkina, M.; Fortenbacher, A.; Merceron, A.: The Learning Analytics Application LeMo– Rationals and first Results. In International Journal of Computing, Vol. 12, Issue 3, 226-234, 2013

[Gra 11] Graf Sabine et al.: AAT – A Tool for Accessing and Analysing Students’ Behaviour Data in Learning Systems. In Proceedings of the Conference on Learning Analytics & Knowledge (Banff, Alberta, Canada, February 27 – March 01, 2011), LAK2011, ACM New York, 174-179

[LFS 12] Leony, D; Pardo, A.; de la Fuente Valentín, L.; Sànchez de Castro, D.; Delagdo Kloos, C.: GLASS: a learning analytics visualization tool. In Proceedings of LAK12: 2nd International Conference on Learning Analytics & Knowledge, April 29 – May 2, 2012, Vancouver, BC. ACM New York, 162-163

[MB 05] Behrouz Minaei-Bidgoli: Data Mining for a Web-Based Educational System. Doctoral Thesis, Michigan State University, 2005

[Moo 014] Moodle Repositories https://docs.moodle.org/23/en/Repositories, last accessed 21.11.2014

[Pea 14] Pea, Roy : A Report on Building the Field of Learning Analytics for Personalized Learning at Scale, 2014. https://ed.stanford.edu/sites/default/files/law_report_comple-te_09-02-2014.pdf, last accessed 21.11.2014

[SLHw 14] Kania, Jost ; Krauß, Christopher ; Merceron, Agathe ; Scharp, Michael: Projekt SLHw: Smart Learning – Medieneinsatz in der handwerklichen Weiterbildung, Fachtagung „eQualification: Lernen und Beruf digital verbinden – 2014“, 1.-2.12.2014, Berlin, http://www.equalification.info

AbbildungsverzeichnisAbbildung 1: Repository und Lernplattform Abbildung 2: Lemo-Visualisierung: Tests im Vergleich

KontaktProf. Dr. Agathe Merceron


Telefon: (030) 4504-5105 E-Mail: [email protected] Internet: https://prof.beuth-hochschule.de merceron

Gefördert durch:

Förderkennzeichen: 01PD14002B

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Virtuelle Mikrofone: Empfangen von Audioschall mittels Ultraschall Dipl.-Ing. Tom Ritter1; Prof. Dr.-Ing. Tobias Merkel1; Prof. Dr.-Ing. Marcus Purat1

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Elektrotechnik – Mechatronik – Optometrie Kurzfassung

Im Forschungsprojekt Virtuelle Mikrofone an der Beuth Hochschule Berlin sollen klassische Mikrofone durch Ultraschallwandler ersetzt werden. Dazu werden Schallwellen mit Ultraschall überlagert, der dadurch moduliert wird. Entsprechende Empfänger können dann aus dem Ul-traschallsignal die ursprünglichen Schallwellen demodulieren. Nachdem das Prinzip praktisch demonstriert werden konnte, standen eine hohe Qualität des resultierenden Audiosignals sowie die praktische Implementierung im Vordergrund.

Abstract

The research project Virtual Microphones of the Beuth University of Applied Sciences aims to replace classic microphones by ultrasound sensors. Ultrasound will be modulated if superim-posed by audio waves. Appropriate receivers can demodulate the ultrasound and retrieve the original audio signal. After the principle had been demonstrated in practice, the focus of the in-vestigation shifted to the quality of the resulting audio signal and the practical implementation.

Einleitung Klassische Mikrofone haben den Nachteil, dass sie sich unmittelbar in der Umgebung des auf-zunehmenden Audiosignals befinden müssen. Damit sind sie manipulierbar, zerstörbar oder können auch entfernt werden. Ultraschallempfänger hingegen können geschützt in einiger Ent-fernung der Audioquelle angebracht werden. Im Projekt wurde die Umkehrung der sogenannten parametrischen Schallabstrahlung genutzt. Damit kann aus einem Ultra schall signal das modulier-te Audiosignal weitgehend wiederhergestellt werden.

Hauptteil Das Prinzip parametrischer Lautsprecher wird in der Praxis bei sogenannten Audiostrahlern be-reits eingesetzt. Dazu werden Audiosignale, die auf Ultraschallwellen moduliert wurden, von der Luft in einem abgegrenzten Bereich demoduliert und somit ohne weitere technische Hilfsmittel hörbar. Ausgehend von der parametrischen Schallabstrahlung [Yon 83] entstand die Frage, ob dieser Prozess umkehrbar ist [Mer 08]. Wird also eine Ultraschallwelle durch eine überlagernde Audioquelle moduliert? Abbildung 1 zeigt eine schematische Skizze einer geplanten Anwendung. Das Ultraschallträgersi-gnal wird von der Raumdecke abgestrahlt und mit dem Audiosignal überlagert. Danach wird es

am Boden reflektiert und trifft ein zweites Mal auf das Audiosignal, bevor es den Empfänger an der Raumdecke erreicht. Da kein Gerät am Ort der Audio-Aufnahme notwendig ist und diese Art des Empfangs weder sichtbar oder greifbar ist, wird sie von uns Virtuelles Mikrofon genannt.

Abb. 1: Schematische Skizze einer geplanten Anwendung [Rit 12]



Um die prinzipielle Funktionsweise praktisch zu überprüfen, wurde ein einfaches Experiment in einem reflexionsarmen Raum durchgeführt [Mer 11], [Mer 12]. Ein starkes Ultra schall signal mit einer Frequenz von 40 kHz wurde von einer Anordnung aus 14 piezokeramischen Überträgern mit konstanter Amplitude über eine 5m lange Strecke gesendet.

Danach wurde das Signal mittels eines hochwertigen Messmikrofons wieder empfangen, welches den Bereich um 40 kHz aufnehmen konnte. Auf der Übertragungsstrecke wurde ein Audiosignal mit einer Frequenz von 1 kHz mittels einer Lautsprecherbox rechtwinklig zur Übertragungsstrecke abgestrahlt. Damit treten in diesem Aufbau keine Reflexion am Boden auf und das Audiosignal wird nicht doppelt überlagert wie in der geplanten Anwendung in Abbildung 1.

Das am Messmikrofon empfangene Spektrum ist in Abbildung 2 dargestellt. Im abgebildeten Spektrum ist die Trägerfrequenz des Ultraschalls mit 40 kHz gut zu erkennen. Außerdem sind bei 39 und auch bei 41 kHz weitere Signale präsent. Deren Amplitude ist etwa 60 dB unter der Amplitude des Trägersignals und ist unabhängig vom absoluten Schalldruckpegel des Ultra-schallsignals.

Physikalisches Prinzip

Für die Modulation sind zwei unterschiedliche physikalische Effekte verantwortlich. Zum einen wird durch die niederfrequente Schallwelle eine Bewegung der Luftpartikel verursacht, welche die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle beeinflusst. Dieser Effekt ist richtungsab-hängig.

Zum anderen ändert sich die Dichte des Übertragungsmediums infolge der Schallwellen. Auch dieser Effekt verändert die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen, ist aber nicht richtungsabhängig.

Beide Effekte haben nur geringe Auswirkungen und somit ist der Modulationsgrad insgesamt sehr klein. Daraus ergeben sich hohe Anforderungen und die Stabilität der Trägerfrequenz und der Signalverarbeitung am Empfänger. Außerdem konnte eine Frequenzabhängigkeit in Form einer Tiefpasscharakteristik der Empfangsstrecke festgestellt werden, die sich aus der Geometrie des Aufbaus ergibt (siehe [Mer 11]).

Realisierung

Auf der einen Seite ist aufgrund der physikalischen Effekte der Modulationsgrad gering. Auf der anderen Seite ist es erforderlich, einen hohen Ultraschallpegel einzusetzen, um die Modul ations-produkte überhaupt über dem Rauschen halten zu können. Daraus folgt, dass der Empfänger einen Dynamikbereich von etwa 120 dB haben müsste.

Abb. 2: Empfangsspektrum mit 40 kHz Träger und 1 kHz Audio [Mer 11]

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Um die Anforderungen an den Dynamikumfang des Empfängermikrofons zu lockern, wurde Ge-genschall am Empfänger auf das Mikrofon gebracht, der den Träger um bis zu 45 dB verringern konnte. Damit können nun als Empfänger Module mit wesentlich geringerem Dynamikumfang als der eines Messmikrofons eingesetzt werden.

Die Begrenzung des erforderlichen Dynamikumfangs ermöglichte die Bündelung der Ultraschall-wellen am Empfängermikrofon mittels eines parabolischen Spiegels. Dadurch konnte nun wieder-um das gesamte Empfangssignal um 20 dB erhöht werden, ohne am Messmikrofon Verzerrungen hervorzurufen.

Eine weitere positive Eigenschaft des Signals mit begrenztem Dynamikumfangs ist das nun eine Analog-Digitalwandlung mit einem Umsetzer erfolgen kann, welcher diesen Umfang auch mit 16 oder 18 Bit darstellen kann.

Die anschließende Demodulation des empfangenen modulierten Ultraschallsignals wurde einge-hend untersucht [Rit 12]. Dabei konnte gegenüber der vergleichsweise einfach zu realisierenden kohärenten Demodulation durch eine Demodulation mit Hilfe der Hilbert transformierten 3 dB gewonnen werden. Weiterhin kann ein entsprechend dimensionierter Empfänger bandpass ein Gewinn von einigen dB in Abhängigkeit der gewünschten Audio band breite liefern. Durch den extrem geringen Modulationsgrad ist die Phasenmodulation mit einer Amplitudenmodulation vergleichbar. Die Modulation ist proportional zum Audio schall druck. Komplexere Modulations-algorithmen können mit Hilfe von Digitalen Signal prozessoren durchgeführt werden. Allerdings ist der durch diese Methoden erreichbare Gewinn nicht erheblich und deswegen wurde auch mit der kohärenten Demodulation gearbeitet, die komplett in analoger Elektronik ausgeführt werden kann. Dazu wird das empfangene Signal gleichgerichtet und mit einer phasenverschobenen Version des Trägersignals summiert. Ein anschließender Bandpass filtert die unerwünschten Modulationsprodukte und den durch einen Phasenversatz zwischen Träger- und Empfangssignal eventuell entstandenen Gleichanteil aus.

In einem Aufbau wie in der Abbildung 1 gezeigt wird zusätzlich auf dem Rückweg des Ultraschalls eine weitere Überlagerung durch den Audioschall stattfinden, der analog zu klassischen Mikrofo-nen durch Auslöschung und Addition eine Art Kammfilter verursacht.

Experiment

Als Abschluss dieser Phase des Projekts wurde eine Vorführung in einem Hörsaal mit mehreren Sprechern durchgeführt. Dabei kamen anstelle der Anordnung aus mehreren Ultra schall sensoren am Sender und des Messmikrofons am Empfänger spezielle Planar laut sprecher (HSS-3000 von der Firma Hypercom) zum Einsatz, die wesentlich effektiver höhere Schalldrücke erzeugen kön-nen [Hyp 14].

Abb. 3: Experimenteller Aufbau mit Versuchs-personen in einem Hörsaal [Mer 13]



In Abbildung 3 ist der Aufbau des Virtuellen Mikrofons zu sehen. Rechts im Bild ist der Planar-lautsprecher auf dem Tisch an einem Stativ zu sehen. Ganz rechts im Bild befindet sich der Planarlautsprecher, welcher als Empfänger dient und ebenfalls an einem Stativ auf dem Tisch befestigt ist. Eine Hörprobe als Ergebnis des Experiments kann auf Prof. Dr. Merkels Hochschul-Webseite unter dem Eintrag Forschung gefunden werden [Mer 14].

Ausblick

Ein virtuelles Mikrofon als Empfänger stellt das Äquivalent zu einer Akustischen Linienquelle dar. Werden zwei Virtuelle Mikrofone kombiniert, wie in Abbildung 4 gezeigt, könnten so einzelne Punkte auf der Linie mit individuell ansteuerbarer Empfindlichkeit werden.

Abb. 4: Schematischer Aufbau mit zwei Virtuellen Mikrofonen [Mer 13]

Durch geeignete Verzögerungen kann mit diesem Aufbau ein steuerbarer Punktempfänger reali-siert werden.

Aufbauend auf eine Strecke bestehend aus zwei Virtuellen Mikrofonen können auch zwei Stre-cken bestehend aus jeweils zwei Virtuellen Mikrofonen mit einem räumlichen Abstand realisiert werden. Damit könnte dann eine Steuerung der Richtcharakteristik der einzelnen Punkte auf der Empfangslinie erfolgen [Mer 13].

Zusammenfassung Auch wenn die Qualität der mit Hilfe von Virtuellen Mikrofonen empfangenen Audiosignale mit der von klassischen Mikrofonen gewonnenen noch nicht vergleichbar ist, haben die Untersu-chungen gezeigt, dass für das Virtuelle Mikrofon ein großes Potential vorhanden ist. Mit dieser neuen Art der Schallerfassung können neue Einsatzgebiete erschlossen werden, die für klassi-sche Mikrofone aus verschiedenen Gründen verschlossen sind. Weitere Forschungen müssen sich daher darauf konzentrieren, mit modifizierten Anordnungen die Richtcharakteristik der virtuellen Mikrofone formbar zu gestalten und auch die Übertragungsqualität weiter zu verbessern.

Dieses Forschungsprojekt im Fachbereich VII Elektrotechnik und Optometrie an der Beuth Hoch schule für Technik Berlin geleitet von Prof. Dr.-Ing. Tobias Merkel wurde vom Zentralen Innovations programm Mittelstand ZIM vom BMWi gefördert.

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Gefördert durch: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages (Förderkennzeichen KF2351102DB9).

KontaktProf. Dr.-Ing. Tobias Merkel

Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich VII / Elektrotechnik – Mechatronik – Optometrie Luxemburger Straße 10, 13353 Berlin

Telefon: (030) 4504 5203 E-Mail: [email protected] Internet: http://prof.beuth-hochschule.de/ merkel

Literatur[Hyp 14] Hypersound HSS-300 Planarlautsprecher http://hypersound.com/pdf/retail_backgroun-

der_2014.pdf (aufgerufen 1.12.2014)

[Mer 11] T. Merkel, H.-G. Lühmann, T. Ritter und J. Lühmann: Using Ultrasonic Waves to Receive Audio Sound, International Congres on Ultrasonics, Gdansk 2011, Poland, ISBN 978-0-7354-1019-0

[Mer 08] T. Merkel. Die Umkehrung parametrischer Schallabstrahlung. DAGA 2008, Dresden, 2008

[Mer 12] T. Merkel, T. Ritter und H.-G. Lühmann: Virtual Microphones: Using Ultrasonic Sound to Receive Audio Waves, Audio Engineering Society Convention 132, Budapest 2012, ISBN: 978-0-937803-86-8

[Mer 13] Merkel, Tobias; Lühmann, Hans-G.; Ritter, Tom: Using Ultrasonic Sound to Collect Audio Waves in Air, JAES Volume 61 Issue 9 pp. 656-666; September 2013

[Mer 14] Prof. Dr.-Ing. Tobias Merkel Forschungs-Webseite an der Beuth-Hochschule https://prof.beuth-hochschule.de/merkel/forschung/ (aufgerufen 1.12.2014)

[Rit 12] T. Ritter, T. Merkel und H.-G. Lühmann: Virtual Microphones: Optimum Real-Time De-modulation of Phase Modulated Ultrasound (AES Engineering Brief ) AES Convention 132, Budapest 2012, ISBN: 978-0-937803-86-8

[Yon 83] Yoneyama, M.; Fujiomoto, J.: The audio spotlight: An Application of non-linear interac-tion of sound waves to a new type of loud-speaker design, JASA 73, S.1532-1536, 1983


Abbildung 1: Schematische Skizze einer geplanten Anwendung

Abbildung 2: Empfangsspektrum mit 40 kHz Träger und 1 kHz Audio

Abbildung 3: Experimenteller Aufbau mit Versuchspersonen in einem Hörsaal

Abbildung 4: Schematischer Aufbau mit zwei Virtuellen Mikrofonen



Freistrahloptische Kommunikation, Free Space Optical Communication (FSO)Prof. Dr.-Ing. Michael Rohde1; Dr.-Ing. Nicolas Perlot2

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Elektrotechnik – Mechatronik – Optometrie2 Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut

Kurzfassung

Im Informationszeitalter kommt dem kontinuierlichen Ausbau der Dateninfrastruktur eine Schlüs-selrolle zu. Mit konventionellen Glasfaser- und Funklösungen konkurrieren seit einiger Zeit FSO-Systeme, weil diese sich u.a. durch geringe Installationszeiten, Kosteneffizienz, Lizenzfreiheit, hohes Bandbreitepotenzial, geringe Latenz und hohe Abhörsicherheit auszeichnen. Ausgehend vom Stand der Technik und Anwendungsszenarien terrestrischer FSO-Systeme werden eigene Forschungsansätze zur Steigerung der Geschwindigkeit und Reichweite vorgestellt.

Abstract

The continous upgrade of data infrastructure holds a pivotal role in the development of infor-mation society. For years, FSO systems have competed against conventional fiber and radio solutions because of their short installation times, cost efficiency, absence of license fees, high bandwidth capability, low latency and high safety against tapping. Starting with state of the art and application scenarios of terrestrial FSO systems, we present our research approaches to increase speed and range.

Einleitung Die freistrahloptische Kommunikation (Free Space Optical Communication oder kurz FSO) hat eine mehr als 2000jährige Tradition: vom Leuchtturm von Alexandria (um 290 v.Chr.) über das „Photophon“ von Alexander Graham Bell (um 1880), den stetigen Anstieg von FSO-Anwendungen in Militär und Raumfahrt seit Mitte des 20. Jahrhunderts bis hin zu modernen FSO-Systemen für zivile Anwendungen. Im Folgenden soll das Potenzial terrestrischer FSO-Kommunikation über Entfernungen bis zu einigen Kilometern aufgezeigt werden.

Abb. 1: Typische FSO-Anwendungsfelder und Reichweiten

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Hauptteil Die FSO-Kommunikation hat je nach Reichweite einige typische Anwendungsfelder (vgl. Abb. 1). Bei freistrahloptischen Intra- und Inter-Chip-Verbindungen werden kleinste Entfernungen im mm- und cm-Bereich überbrückt [Xue 10]. Wesentliche Vorteile sind die hohe Störsicherheit und Bandbreite. Die optische Inhouse-Kommunikation mit sichtbarem Licht (sog. Visible Light Com-munication) über Entfernungen von einigen Metern wird beispielsweise für die breitbandige Ver-netzung von Rechnern auf Arbeitstreffen und Konferenzen genutzt [Vuc 12]. Über Entfernungen bis zu mehr als 10.000 km werden in der Raumfahrttechnik FSO-Systeme eingesetzt, um die schnelle Kommunikation zwischen Satelliten untereinander bzw. mit den Bodenstationen zu ermöglichen [Per 12]. Im Bereich von einigen hundert Metern bis Kilometern schließlich setzt die Anwendung von FSO-Technik zur Anbindung bzw. Vernetzung von Gebäuden oder Standorten an, die im Fokus dieses Beitrags stehen soll [Bou 06, Kra 09, Jun 14].

Die meisten aktuellen FSO-Systeme für diesen Anwendungsbereich arbeiten mit unsichtbarem Licht bei Wellenlängen um 800 nm, weil hier preiswerte Laser auf Silizium-Basis verwendet wer-den können. Wie Abbildung 2 zeigt, zeichnet sich dieser Wellenlängenbereich auch durch eine relativ geringe Absorptionsdämpfung in der Atmosphäre aus.

Abb. 2: Absorption von Licht in der Atmosphäre (Hier für eine Zenithpropagation)

Ein Wellenlängenbereich mit noch geringerer Absorptionsdämpfung liegt um 1550 nm und ist in Abbildung 3 als Ausschnittvergrößerung dargestellt.

Abb. 3: Absorption von Licht bei Wellenlängen um 1600 nm in der Atmosphäre



Die dämpfungsarmen Wellenlängen in diesem Bereich sind aus einigen Gründen besonders gut für die Entwicklung von FSO-Systemen der nächsten Generation geeignet:

■ Standardwellenlänge für Telekommunikation über Glasfaser → Einsatz von Standard-Komponenten aus diesem Bereich zur Realisierung höchster Kapazitäten

■ Geringere Empfindlichkeit des menschlichen Auges → unter Einhaltung der Augensicher-heit sind höhere Sendeleistungen möglich → größere Reichweiten

■ Einfache Integration der FSO-Systeme in Hochgeschwindigkeits-Glasfasernetze mit Single-Mode-Faser und Wellenlängen-Multiplex (vgl. C-Band, L-Band, U-Band und XL-Band in Abb. 3).

Bei der Weiterentwicklung der FSO-Systeme zu höheren Kapazitäten und Reichweiten spielt damit die Kopplung des Lichts zwischen Atmosphäre und Single-Mode-Glasfaser eine zentrale Rolle. Zum besseren Verständnis der Anforderungen an derartige Systeme zeigt Abb. 4 die wich-tigsten Umwelteinflüsse bei der Kommunikation zwischen Gebäuden.

Abb. 4: Umwelteinflüsse bei der Kommunikation zwischen Gebäuden mit FSO-Systemen

Folgende Einflüsse können sich störend auf die FSO-Kommunikation auswirken:■ Sonnenlicht → verringert die Empfindlichkeit des Lichtempfangs■ Fenster → Abschwächung des Lichts (wenn FSO-Terminal innerhalb des Gebäudes)■ Nebel, tiefe Wolken■ Gebäudebewegung → Intensitätsschwankung je nach Strahldivergenz■ Hindernisse (Baukran, Vögel etc.)■ Luftturbulenzen → Mehrwegeausbreitung → Intensitätsschwankung (Szintillation)

Die Störeinflüsse von Sonnenlicht und Verglasungen können häufig durch optische Filterung und Verwendung geeigneter Materialien weitgehend eliminiert werden.

Hindernisse können die erforderliche Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger unterbre-chen. Abhilfe schaffen Multi-Beam-Systeme oder auch die größere Vernetzung von Standorten, so dass mehrere redundante Wege entstehen.

Bei Wetterbedingungen wie dichtem Nebel oder tiefen Wolken stößt die FSO-Kommunikation insbesondere bei Reichweiten > 500 m und Datenraten > 1 Gbit/s allerdings an ihre Grenzen. Sollen künftig beispielsweise N x 10 Gbit/s im Wellenlängen-Multiplex (WDM) über einige Kilo-meter übertragen werden, wird dies je nach geografischer Lage bei reiner FSO-Technik nur mit einer eingeschränkten Verfügbarkeit möglich sein. Wird ein schnelles Richtfunksystem mit der in Glasfasernetzen üblichen Verfügbarkeit von 99,999 % benötigt, bieten sich hybride Lösungen an, die klassischen Richtfunk mit FSO kombinieren. Die Störung der Funk- und Lichtfrequenzen er-

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folgt aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen weitgehend „wetterkomplementär“. Bei Nebel funktioniert z. B. Mikrowellensysteme besser, bei Regen das FSO-System. Das hybride System stellt dann für die relativ kurzen Zeitabschnitte der Aktivität des klassischen Richtfunks nur eine reduzierte Übertragungsgeschwindigkeit zur Verfügung (aktuell bis zu ca. 1 Gbit/s).

Gebäudebewegungen stören insbesondere bei hohen Reichweiten und geringer Strahldivergenz. Das Empfangs-Terminal wird dann vom Sendestrahl nur noch teilweise oder überhaupt nicht mehr getroffen. Auto-Tracking-Systeme sorgen dann dafür, dass die FSO-Terminals permanent aufeinander ausgerichtet werden. Derzeit am Markt befindliche Systeme können z. B. auf die-se Weise die Reichweite eines FSO-Systems mit 1 Gbit/s mehr als verdoppeln. Diese Systeme arbeiten mit Direktempfang und fokussieren den empfangenen Freistrahl direkt auf eine Lawi-nen-Photodiode (Avalanche Photo Diode, APD). Soll nun für künftige Hochgeschwindigkeits-FSO-Systeme mit WDM oder sogar kohärenter optischer Übertragungstechnik das Laserlicht direkt in eine Single-Mode-Faser eingekoppelt werden, ergeben sich stark erhöhte Anforderungen an die Autotracking-Systeme. Das HHI forscht gemeinsam mit der BHT an der effizienten Kopplung von freistrahloptischem Laserlicht in Singlemode-Faser durch eine Linsenabbildung über geregelte Kippspiegel [Hie 14] oder die Verwendung von Faser-Tapern [Wei 14].

Sollen größere Reichweiten überbrückt werden, entstehen auch bei hoher Sichtweite am Emp-fangsterminal Intensitätsschwankungen des Lichts durch Luftturbulenzen (Szintillation). Um diese abzumildern forscht das Heinrich Herz Institut (HHI) gemeinsam mit der Beuth Hochschule an der Methode des kohärenten optischen Kombinierens nach Abb. 5 [Las 13].

Abb. 5: Kohärentes optisches Kombinieren zur Abmilderung der Szintillation (Prinzip)

Prinzipiell wird das Licht, das sich infolge der Szintillation über verschiedene Wege mit unter-schiedlicher Laufzeit bzw. Phase ausbreitet, an verschiedenen Orten im Bereich des Empfängers aufgenommen, in die Singlemode-Faser (SMF) eingekoppelt und über eine Phasenregelung zu größtmöglicher Lichtintensität addiert, bevor es auf den Photodetektor trifft. Auf diese Weise können die Intensitätsschwankungen durch Szintillation entscheidend verringert werden. Da letztere mit der Reichweite zunehmen, kann dieses Verfahren künftig die Breitband-Kopplung weiter entfernter Standorte (einige km) ermöglichen.

ZusammenfassungDie freistrahloptische Kommunikation (FSO, optischer Richtfunk) ist bereits heute bei der Kopp-lung von Standorten in proprietären Kommunikationsnetzen eine interessante Alternative zu Glasfasern oder klassischem Richtfunk. Steigende Anforderungen an die Übertragungsgeschwin-digkeiten und Reichweiten im Bereich des Richtfunks können künftig allein von FSO-Systemen bzw. von hybriden Systemen aus FSO und klassischem Richtfunk abgedeckt werden. Das HHI arbeitet gemeinsam mit der Beuth Hochschule an FSO-Systemen der nächsten Generation. Die Arbeiten konzentrieren sich auf Autotracking-Systeme bei Kopplung der Freistrahlübertragung mit Singlemode-Glasfaser sowie auf Verfahren zur Steigerung der Reichweite. Untersucht werden aktuell Auto-Tracking-Systeme mit geregelten Kippspiegeln, Faser-Taper und kohärentes opti-sches Kombinieren.



Literatur[Bou 06] O. Bouchet et al., Free Space Optics: Propagation and Communication, ISTE Ltd,

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[Jun 14] V. Jungnickel, D. Schulz, N. Perlot, K. Langer, and W. Stoermer, „Optical Wireless as a Low-Cost Small-Cell Backhaul Solution“, ITG Konferenz Breitbandversorgung für Deutschland , ITG, Apr. 2014, pp. 1-2

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[Xue 10] J. Xue et al: An intra-chip free-space optical interconnect, ISCA’10, Proceedings of the 37th annual international symposium on Computer architecture, pp. 94-105, New York 2010

AbbildungsverzeichnisAbbildung 1: Typische FSO-Anwendungsfelder und ReichweitenAbbildung 2: Absorption von Licht in der AtmosphäreAbbildung 3: Absorption von Licht bei Wellenlängen um 1600 nm in der AtmosphäreAbbildung 4: Umwelteinflüsse bei der Kommunikation zwischen Gebäuden mit FSO-SystemenAbbildung 5: Kohärentes optisches Kombinieren zur Abmilderung der Szintillation (Prinzip)

KontaktProf. Dr.-Ing. Michael Rohde

Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich VII / Elektrotechnik – Mechatronik – Optometrie Luxemburger Straße 10, 13353 Berlin

Telefon: (030) 4504-2906 E-Mail: [email protected] Internet: https://prof.beuth-hochschule.de/rohde

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Taking a closer look at user-technology relationships: a network modelDr. Maxine Saborowski1; Claudia Nuss1, Prof. Dr. Ingrid Kollak1

1 Alice Salomon Hochschule Berlin

Kurzfassung

Im Gesundheitswesen der Stadt der Zukunft sind viele technische Hilfsmittel im Einsatz. Bishe-rige Studien dazu betrachten Nutzer und Technik als getrennte Elemente. Wir schlagen vor, die vielfältigen Interaktionen zwischen den menschlichen und technischen Akteuren einzubeziehen: Die Akteure verteilen ihre Verantwortlichkeiten ständig neu untereinander. Das geben wir in ei-nem Netzwerkmodell wieder. Als Anwendungsfall beobachten wir die Entwicklung und Nutzung von augengesteuerten Kommunikationshilfsmitteln.

Abstract

In the city of the future, complex technology will be increasingly in use in the health care sys-tem. To this day, research on assistive technology considers technology and users as separate spheres. We suggest to include the multiple interactions of human and nonhuman actors: the actors constantly redistribute the competences among themselves. We represent this in a net-work model. The case we study in this project is the development and use of gaze-controlled communication aids.

IntroductionIn the city of the future, technologies will play a crucial role – at home, in the streets, at work etc. In health care, assistive technology (AT) will be present in many interactions. Health care professionals use devices for documentation and organisation of work (e.g. hand-held terminals for nursing documentation); people with disabilities use AT to live independently (e.g. with en-vironmental control); patients use monitoring systems to send data to the medical practitioners.

Using assistive technology – a network approach Health care has always used instruments and technologies, but as these technologies become more and more complex, the interactions and the network of responsibilities change: Not only the patients need care, someone has to take care of the assistive device, too [Sab 15]. Design pursues the ideal of intuitive use, but in everyday life, experience shows that this ideal is not yet implemented in every device. In our study, we take a closer look at a complex assistive tech-nology: Gaze control allows people with severe motor impairment, who can’t use their hands to write, to use a computer for communication and to manage their household via environmental control. A gaze control system runs on a windows-based PC with an attached infrared camera. The camera tracks the gaze and a software converts it into mouse movements. By moving the eyes, the user can control the PC: she can write on an on-screen keyboard and make use of any standard application (word processing, e-mail, browser, games). It is also possible to use a speech synthesizer on a gaze-controlled computer: a person who lost her voice (for instance due to ALS) can “talk” to others with this device [Mos 03]. We call this a gaze-controlled voice output communication aid (gaze-controlled VOCA).

In the last years, gaze control has become a reliable and stable access method for using a VOCA, and a great demand for this technology has developed. Families often place great hopes in gaze control, because they consider it to be the last chance for a non-speaking person with severe motor impairment [Deb 12]. The great expectation involved in this technology makes it a very good example for analysis: What is necessary to make the communication successful?



How can we learn something from the problems that still occur? Most of the research on assistive technology focuses either on technical improvement, innovation, or on user acceptance [Oud 08]. These traditional approaches consider technology and the user as separate spheres. The dynamics and the transformative power of the interactions as well as the many actors involved in using complex assistive devices are often ignored.

In our project, we develop new concepts to describe user-technology relationships. We take advantage of some concepts that have been developed in science and technology studies (STS). Recent notions like “domestication” [Ber 06] suggest that user-technology relationships are dy-namic: integrating technology into everyday life is a process through which both the user and the technology change. Therefore, we consider the relationship between user and technology as interactive: the device includes a scenario for its use, but the user decides how to follow or re-write this “script” [Akr 92]. If we consider how social media technologies have changed our communication, and how our desire for and communication has changed the media vice versa, this mutual influence or interaction becomes obvious. We investigate the interactions of the hu-man and nonhuman (technology, power supply, money, acts and entitlements, …) actors around the use of assistive technology in everyday life. All actors are redistributing the responsibilities between them, they change routines, meaning, structure, menu.

To investigate these negotiations, we bring together experts from various disciplines and pro-fessional backgrounds: designers and engineers, therapists and teachers, counsellors and re-searchers, VOCA users and relatives. Together, we discuss questions like: How does the designer conceive of the typical user of his device? How do the therapists and teachers think about communication using a VOCA? What do people expect when a relative or friend starts to commu-nicate with a gaze-controlled device? All involved parties gain insights through the discussion: the designers and engineers get a better understanding of how their design influences the use, how the device incorporates a scenario for the user. The therapists and teachers better under-stand their expectations towards users and devices. Researchers learn more about the necessary qualifications of therapists, teachers, and AT specialists.

Our working hypothesis is: A network model, representing the redistribution of responsibilities between human and nonhuman actors, is more powerful to describe the use of assistive tech-nology than a dualistic user-device model.

MethodsBased on a Grounded Theory approach, we use qualitative research methods such as participant observation and structured expert interviews. Some STS concepts help to shed light on the process of designing, customising and using an assistive device. Science and technology studies focus mainly on the interaction of users with technology. Therefore, observations of use of gaze control seem most appropriate: such observations can make the interactions visible. Up to now, we conducted 14 expert interviews (speech therapists, special education teachers, distributors of AT, users etc.). Additionally, we observed eight people who use their eyes to control a VOCA (age 11 to 64, 2 female, 6 male).

ResultsHow are designing and using technology intertwined? Designers and engineers develop scenari-os for the use of their devices. These scenarios are incorporated in the technical design of the device.

“Designers […] define actors with specific tastes, competences, motives, aspirations, political prejudices, and the rest, and they assume that morality, technology, science and economy will evolve in particular ways. A large part of the work of innovators is that of ‘inscribing’ this vision of […] the world in the technical content of the new ob-ject. I will call the end product of this work a ‘script’ or a ‘scenario’.” [Akr 92, p. 208]

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This “vision of the world” includes ideas about the delegation of competences and responsibil-ities: some competences lie in the device itself (or in its components), other competences and responsibilities are delegated to the user and her environment. In her semiotic approach to the network of actors, Akrich tries to avoid differentiations between nonhuman and human elements in an ensemble: all elements work together in the process in which meaning is built, and all relationships between these actors are equally relevant.

With respect to gaze control, there is a crucial interaction of human and nonhuman actors at the very beginning of using the device: the calibration. It is necessary to individualise the system for the user. The user has to follow a point that occurs at different places on the screen. The software measures the distance between the user’s two eyes and other parameters. At the end, it gives feedback on the quality of the calibration. For some people the result might be that they are probably not able to use gaze control because of some features of their eyes, their glasses or the like.

Looking at the process of calibration and mounting, the distribution of competences becomes visible: due to lights and reflections etc. it is quite often the case that the calibration is insuffi-cient or the camera currently doesn’t find the eyes of the user. If these problems occur, people react in different ways to explain the results. Some say: “The device is malfunctioning or dis-turbed” and they delegate the responsibility to the technical object. Someone else might say: “We have to improve the positioning, maybe the distance between you and the camera is not optimal” and he delegates the responsibility to the therapist or teacher or family member who mounts the device to the user’s wheelchair etc. Another possible explanation would be: “Maybe your eyes were not really open during this process. Could we try again?” and this delegates the responsibility to the user. Interestingly, in most of the cases we observed, the reason for the

Fig 1: network model with a sharing of responsibilities between human and nonhuman actors



malfunctioning was unclear, the professionals didn’t find a satisfactory explanation. The mal-function shows how all the involved actors – the user, the professional helper, and the device – are negotiating their competences and responsibilities. We can take this aspect as a starting point to discuss questions as the following: What should the device be able to do? What is the engineer’s vision of the features of the device – and what are the users’ expectations? Does this fit the competences of the helpers who set up the device?

The network (see fig. 1) represents the geography of competences and responsibilities regarding a person who uses a VOCA with gaze control. This map reflects on the situation in Germany, insofar as financing, health insurance structures, and professional education differ from country to country. With this model we want to prove that the idea of a device simply depending on its technical components is not appropriate. All components (switches, batteries, communication or gaze-tracking software) are directly intertwined with human or social actions (switching, charging, covering the costs, customizing an interface etc.).

Observing the use of gaze-controlled VOCAs, we noticed a significant interaction regarding the eye contact: A lot of the time all people in the room were looking at the screen to follow the actions that the user initiated. This means a loss of immediate contact. We found the same observation in Hélène Mialet’s notes from her interview with Stephen Hawking, who also uses a gaze-controlled communication aid: “We don’t look at each other; we look at the computer instead.” [Mia 12, p. 128]

However, communicating with the device was regularly interrupted by direct communication. Either the communication partner or the user initiated direct eye contact and the communication partner asked something relevant to this situation, e.g.: “Did you trigger this box by mistake?” or “Do you want to stop and have a coffee now?” The user would answer with communication signs like eye movements, vocalisation or facial expressions.

These two observations are very important: At first, you might think it is not natural to control a computer interface with your eyes. But severely motor-impaired people are already familiar with using eye movements to communicate: Their yes-no communication signs are in some cases based on eye movements and they are used to “point” on something with the eyes. That’s why gaze control does not demand a new task from them. Furthermore, although the screen receives the main attention of all people involved, the users alternate quickly and fluently between con-trolling the communication aid with their eyes and having eye contact with the communication partners. This eye contact is especially necessary to make visible emotional aspects of the com-munication that are not audible in the synthesized voice output.

Conclusion In our project, we focus on user-technology relationships. Embodied in the technical object are the designer’s scenarios of how the user interacts with the technology. Our hypothesis is that the successful use of gaze-controlled VOCAs depends on a complex delegation of competences to many human and nonhuman actors. Our observations have proven this hypothesis to be correct: e.g. in the calibration we see an intertwinement of responsibilities of user, helper and technology. If the calibration fails, reasons for malfunction are often negotiated between seve-ral actors. Furthermore, communication with gaze-controlled VOCAs shows that the technical communication aid is not the exclusive mode of communication. We offer these concepts and observations to designers and therapists, and we hope to open up a new perspective on the interactions assisted by technology, keeping in mind how social communication and technology influence each other.

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AcknowledgementThe work on this paper was funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF), as part of the research project EyeTrack4all. The funding organisation did not influence the research process; there is no conflict of interest. In our project, we colaborate with alea technologies gmbh, Hegau-Jugendwerk, the Spastikerhilfe Berlin e.V./e.G. and “barrierefrei kom-munizieren!”.

List of References: [Akr 92] Akrich, M.: “The de-scription of technical objects.” In: Bijker, W, Law, J. (eds.): Sha-

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[Ber 06] Berker, T.; Hartmann, M.; Punie, Y.; Ward, K.: Domestication of media and technology. Maidenhead: Open University Press 2006

[Deb 12] Debeljak, M. et al.: “Eye controlled human computer interaction for severely motor disabled children: two clinical case studies”. In: Miesenberger, K. et al. (eds.): Com-puters helping people with special needs: ICCHP 2012, Proceedings Part II. Berlin, NY: Springer, 2012, 153-156

[Mia 12] Mialet, H.: Hawking incorporated. Chicago: University of Chicago Press 2012

[Mos 03] Moser, I.; Law, J.: “‘Making voices’ – new media technologies, disabilities, and articu-lation”. In: Liestol et al. (eds): Digital Media Revisited. Cambridge: MIT Press 2003, 491-520

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[Sab 15] Saborowski, M.; Kollak, I.: “‘How do you care for technology?’ – Care professionals‘ experiences with assistive technology in care of the elderly.” In: Technological Fore-casting & Social Change, vol 93/2015, DOI: 10.1016/j.techfore.2014.05.006, 133-140

List of figuresFigure 1: network model with a sharing of responsibilities between human and nonhuman actors

Kontakt: Dr. Maxine Saborowski

Alice Salomon Hochschule Berlin Alice-Salomon-Platz 5, 12627 Berlin

Telefon: (030) 992 45-282 E-Mail: [email protected] Internet: www.eyetrack4all.de

Gefördert durch:

Förderkennzeichen: 3FH022PX3



Spielplätze in Berlin-Pankow. GIS-Analyse der fußläufigen ErreichbarkeitMerle Rossner1; Jennifer Ilius1; Prof. Dr. Jürgen Schweikart1

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Bauingenieur- und Geoinformationswesen

Kurzfassung

Die Bedeutung von Spielplätzen und die Anforderungen an ihre räumliche Erreichbarkeit wach-sen mit zunehmender Urbanisierung. Zur Untersuchung der aktuellen Versorgungssituation von Kindern mit Spielplätzen in Berlin-Pankow wurde eine Netzwerkanalyse mit GIS durchgeführt, die sich auf drei Indikatoren stützt. Anhand der durchgeführten GIS-Analyse konnten Aussagen darü-ber getroffen werden, in welchen Bereichen des Bezirks die Kinder gut mit Spielplätzen versorgt sind und wo weitere Analysen vorgenommen werden sollten, um mögliche Defizite aufzudecken.

Abstract

The importance and the requirements on a spatial access to playgrounds increase in line with urban growth. To analyse the current supply of playgrounds in Berlin-Pankow a GIS network analysis was carried out based on three indicators. As a result of the GIS-analysis, valuable statements were made about which areas have a good supply of playgrounds and in which areas further analysis are necessary to identify potential deficiencies.

EinleitungKinder verfügen über einen natürlichen Bewegungstrieb. Sie erschließen die Welt über körper-liche Aktivität und lernen dadurch viel über sich und die Umwelt. Sowohl ihre körperliche als auch geistige Entwicklung ist eng mit Bewegungserfahrungen verbunden. Dafür ist Freiraum unabdingbar. Dort können sie sich ausprobieren, soziale Kompetenzen erlernen und ihren Cha-rakter entfalten.

In den letzten Jahrzehnten haben sich der Standort und die Ausprägung dieses Freiraums gewan-delt, zunehmend mehr Menschen leben in Städten und die KFZ-Dichte hat zugenommen. Die Fol-ge ist eine „Verhäuslichung der Kinder“ [Agd 08, 33]. Der Raum für Spiel und Bewegung auf den Straßen wurde verdrängt, hin zu eingegrenzten, eigens dafür vorgesehenen Spielräumen – den Spielplätzen. In Städten ist dies häufig der einzige Ort, an dem Kinder außerhalb der Wohnung spielen können. Umso wichtiger ist es, dass sie diese Spielplätze erreichen können und in dieser Hinsicht ausreichend versorgt sind.

Ziel der vorliegenden Studie ist es, die Erreichbarkeit Berliner Spielplätze am Beispiel von Berlin-Pankow zu analysieren und damit einen Beitrag zu leisten, die aktuelle Versorgungssituation zu bewerten.

Spielplätze im urbanen Lebensraum Mit der Verstädterung, in Deutschland seit Mitte des 19. Jahrhunderts, wurden die Freiräume für Kinder, in denen sie spielen, toben und ihre Umwelt erkunden können, immer mehr einge-schränkt. Um diese zu ersetzen werden bis heute Spielplätze geschaffen, die den Kindern die Möglichkeit geben, sich außerhalb des familiären Umfelds der Wohnung zu bewegen. Der erste Impuls dazu kam bereits im Jahr 1860 von dem Leipziger Arzt Schreber [Kam 53]. Viele Autoren betrachten dies jedoch als Notlösung [BlSi 92].

Spielplätze in der Stadtlandschaft zu etablieren ist ein fester Bestandteil jeder Stadtplanung, wobei es unterschiedliche Kategorien gibt. Es wird u. a. zwischen Kleinkinderspielplätzen, Jug-endspielplätzen und allgemeinen Spielplätzen unterschieden, deren Ausstattung und Größe an die Zielgruppe angepasst ist (vgl. Tab. 1). Damit soll sichergestellt werden, dass die Plätze den

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Bedürfnissen der Kinder entsprechen. Um den Zugang zu gewährleisten, wird in der maßgebli-chen DIN 18034, „Spielplätze und Freiräume zum Spielen – Anforderungen für Planung, Bau und Betrieb“, eine angemessene fußläufige Erreichbarkeit von Kinderspielplätzen vorgeschlagen, die je nach Zielgruppe, d. h. abhängig vom Kindesalter, variiert. Die Distanz sollte für Kinder unter 6 Jahren 200 Meter und für Kinder zwischen 6 und 12 Jahren 400 Meter nicht überschreiten, für Kinder und Jugendliche über 12 Jahren werden maximal 1000 Meter empfohlen. Die zu planende Spielplatzfläche ist im Kinderspielplatzgesetz §4(1) für Berlin festgelegt: „Für die Bemessung des Bedarfs an öffentlicher Spielplatzfläche gilt je Versorgungsbereich ein Richtwert von 1 m2

nutzbarer Fläche je Einwohner“ [KiSpG 95].

MethodenDas Untersuchungsgebiet Berlin-Pankow ist mit 364.794 Einwohnern [Jahresende 2012, AfSBB 13] der einwohnerreichste Bezirk Berlins und laut dem Berliner Beirat für Familienfragen der familienreichste [BBFF 11]. Der Bezirk weist eine sehr vielfältige Siedlungsstruktur auf: von der Bebauung mit Einzel-, Doppel- oder Reihenhäusern mit reichhaltigen Spielmöglichkeiten in deren Gärten bis zur dichten Blockbebauung.

Abb. 1: Distanz zum nächstgelegenen Spielplatz (eigene Darstellung)



In der Studie wurden drei Indikatoren berechnet: die Entfernung zum nächstgelegenen Spiel-platz, die Anzahl erreichbarer Spielplätze und die Spielplatz-Kinder-Relation. Die für die Analyse notwendigen Daten wurden mehreren Quellen entnommen. Die Spielplatz-Daten stammen von der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt Berlin und beinhalten die Lage sowie Spielplatzkategorien. Das Amt für Statistik Berlin-Brandenburg stellte die Einwohnerdaten auf Blockebene bereit. Es wurden nur Baublöcke berücksichtigt, die bewohnt sind. Distanzen zwi-schen Spielplätzen und Baublöcken werden auf Grundlage eines Netzwerkes, erstellt aus Daten von OpenStreetMap, durchgeführt. Diese werden mit einem Geoinformationssystem erfasst, mo-delliert, analysiert und präsentiert. Die definierten Indikatoren wurden nach den drei Altersgrup-pen getrennt berechnet, wobei die für die Gruppe relevanten Spielplätze berücksichtigt werden.

Im Folgenden wird der Indikator „Nächstgelegener Spielplatz“ (vgl. Abb. 1) näher beleuchtet. Er leitet sich aus der Methode „travel impedance to nearest provider“ nach Guagliardo [Gua 04] ab und misst die Entfernung zwischen Einwohner und dem nächsten Anbieter, im Vorliegenden zum nächsten erreichbaren Spielplatz. Diese Distanz wird anhand des Netzwerkes berechnet, typischerweise vom Wohnort zum Standort des Anbieters. In der vorliegenden Arbeit wird die in-dividuell zurückzulegende Strecke durch das geometrische Zentrum der Baublöcke, nachfolgend Zentroid genannt, angenähert. Die Spielplätze werden ebenfalls durch eine mittig gesetzte Koor-dinate lokalisiert. Um Fehler am Randgebiet von Pankow zu vermeiden, werden Spielplätze der Nachbarbezirke, die näher als 1000 m zur Bezirksgrenze Pankows entfernt sind, als erreichbare Spielplätze in die Distanzanalyse einbezogen.

Ergebnisse und DiskussionDer größte Anteil der Spielplätze im Bezirk Pankow sind die allgemeinen Spielplätze, die fast 75 % aller Spielplätze stellen. Tabelle 1 zeigt neben den Spielplätzen diejenigen, die weniger als 1000 m von der Bezirksgrenze Pankows entfernt sind und damit ebenfalls gut zu erreichen sind. Damit erhöht sich das Angebot um bis zu 75 %. Hier wird deutlich, wie wichtig es ist im Stadtgebiet, angrenzende Angebote zu den Nachbarbezirken in die Analyse zu integrieren, um Fehlinterpretationen zu vermeiden.

Art Anzahl Pankow

Angrenzend <1000 m> Zielgruppe

Kleinkinderspielplätze 22 15 für Kinder unter 6 Jahren

Allgemeine Spielplätze 160 122 für Kinder und Jugendliche

Jugendspielplätze 29 15 für Kinder und Jugendliche ab 12 Jahren

Spielplätze mit zeitlich begrenzter Nutzung 0 9 für Kinder ab 6 Jahren

Pädagogisch betreute Spielplätze und Kinderbauernhöfe 6 7 für Kinder ab 6 Jahren

Tab. 1: Spielplätze in Pankow und angrenzenden Bezirken (Quelle: eigene Berechnung auf Grundlage des Datensatzes der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt Berlin)

Für die nächstgelegenen Spielplätze ergibt die Netzwerkanalyse Distanzen von bis zu 4,6 km. Tabelle 2 zeigt die Distanz zum nächsten Spielplatz in Bezug auf die betroffene Bevölkerung. Fast ein Drittel der Bevölkerung erreicht einen Spielplatz in einer Distanz von weniger als 200 m und für 68 % ist er innerhalb von 400 m zu erreichen. Lediglich 5 % müssen eine Strecke von über 1.000 m zurücklegen. Die Blöcke, die hiervon betroffen sind, liegen vorwiegend am nördlichen Stadtrand.

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Klasse 0 bis 5-Jährige 6 bis 11-Jährige 12 bis 17-Jährige Gesamtbevölkerung

Distanz in m absolut in % absolut in % absolut in % absolut in %

0 – 200 8.553 34 5.100 27 4.516 28 121.597 32

> 200 – 400 9.253 37 6.795 37 5.662 35 137.165 36

> 400 – 700 5.545 22 4.701 25 4.126 25 85.370 23

> 700 – 1.000 994 4 1.136 6 1.024 6 16.353 4

> 1.000 – 4.528 864 3 894 5 905 6 17.047 5

Tab. 2: Entfernung zum nächstgelegenen Spielplatz (Quelle: eigene Berechnung)

Es kann festgehalten werden, dass die Entfernungen in den Gebieten, in denen die Blöcke flächenmäßig kleiner und dichter besiedelt sind, grundsätzlich kürzer ausfallen. Diese Bereiche befinden sich hauptsächlich in den innenstadtnahen Bereichen Pankows (siehe Abb. 1).

In der Bedarfsplanung für Spielplätze wird die maximale Entfernung nach Altersgruppen geregelt. Daraus kann abgeleitet werden ob die Kinder einer Altersgruppe als versorgt oder nicht versorgt gelten. Für die allgemeine Betrachtung existieren wenige Vorgaben. Nach der DIN 18034 fällt den Schwellenwerten 200 m, 400 m und 1000 m eine besondere Bedeutung zu. Bezogen auf diese Vorgabe erreichen 34 % der Kinder unter 6 Jahren einen Spielplatz, 64 % der 6 bis 11-Jährigen. Bezogen auf die 12 bis 17-Jährigen sind es 6 % die weiter als die vorgegebene Norm entfernt leben (vgl. Tab. 2). Im Vergleich zwischen den Altersgruppen ist festzustellen, dass für Kinder ab 12 Jahren grundsätzlich ein besseres Angebot besteht. Bestimmt wird dieser Umstand hauptsäch-lich durch den größeren Einzugsbereich, der für diese Altersgruppe berücksichtigt wird.

Hinsichtlich der Erreichbarkeit ist der Süden Pankows besser gestellt, dies bezieht sich sowohl auf die Distanz als auch auf die Anzahl der zu erreichenden Spielplätze. Dabei ist jedoch zu be-rücksichtigen, dass die Einwohnerdichte im Süden im Vergleich zum Norden deutlich höher ist. Wird die Spielplatzfläche pro Einwohner berechnet, stellt sich hingegen eine andere Situation dar. Im Süden steht für einen großen Teil der Bevölkerung nicht die im Kinderspielplatzgesetz geforderte Spielplatzfläche von 1 m2 zur Verfügung. In einigen Bereichen sollte geprüft werden, inwieweit weitere Spielplätze benötigt werden und wieweit dies auch realisiert werden kann. Die Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Wissenschaft stellt in seinem „Kita- und Spielplatzsa-nierungsprogramm“ für die Jahre 2014 und 2015 den Berliner Bezirken zusammen zehn Millionen Euro pro Jahr zur Verfügung [SfBJW 14]. Im Norden ist in den Gebieten, in denen Spielplätze vorhanden sind, überwiegend genügend Fläche, d. h. mehr als 1 m2 pro Einwohner verfügbar. Es ist jedoch auch zu bedenken, dass der Wert als Norm auf die Gesamtbevölkerung zu beziehen ist. Die kleinräumige Anwendung ist nicht das Ziel. Dennoch könnte es hier als Instrument her-angezogen werden, möglichen Bedarf zu lokalisieren.

Fazit Spielplätze sind ein wichtiger Faktor eines Bezirks im Kontext zur familien- und kinderfreundli-chen Stadtgestaltung. Die Analyse in Pankow zeigt, dass große räumliche Disparitäten innerhalb des Bezirks bestehen. Eine kleinräumige Analyse zeigt, dass in einigen Teilen des Bezirks die Erreichbarkeit mit Spielplätzen nicht den Planungszielen entspricht. In Bezug auf die Entfernung zum nächsten Spielplatz reicht der Anteil der Kinder mit Distanzen, die über den empfohlenen maximalen Distanzen liegen, je nach Altersgruppe von 6 % bis 66 %.

Für weitere Untersuchungen bildet die GIS-Analyse eine gute Grundlage für erweiterte Analy-sen. Die angewendeten Methoden, insbesondere die Erreichbarkeit des nächstgelegenen Spiel-platzes, berücksichtigen nicht die Nachfrage. Durch hohe Kinderzahlen können Spielplätze gut



zu erreichen, gleichzeitig jedoch überlastet sein. Um die Analyse zu vertiefen, sind neben den berechneten Kennzahlen weitere geographische Faktoren und zu erwartende zukünftige Entwick-lungen einzubeziehen. Nur dadurch ist es möglich, die Räume zu identifizieren, die in Zukunft verstärkt mit Infrastruktur auszustatten sind. Eine detaillierte Betrachtung der Räume ist emp-fehlenswert und kann nützliche Hinweise für die Bezirksplanungen geben, um seine Attraktivität für Familien mit Kindern zu erhalten und weiter zu verbessern.

Literatur[Agd 08] Agde, Georg; Degünther, Henriette; Hünnekes, Annette; DIN e.V. (Hrsg.): Spielplätze

und Freiräume zum Spielen – Ein Handbuch für Planung und Betrieb, 3. Aufl., Berlin, 2008

[AfSBB 13] Amt für Statistik Berlin-Brandenburg: Statistisches Jahrbuch 2013 Berlin Branden-burg. Berlin, 2013

[BBFF 11] Berliner Beirat für Familienfragen: Zusammenleben in Berlin – Der Familienbericht 2011 – Zahlen, Fakten, Chancen und Risiken, Berlin, 2011

[BlSi 92] Blase, Dieter; Sipos, Veit: Kinderspiel in der Stadt- und Gemeindeplanung. Klug, Hans-Peter; Roth, Maria (Hrsg.): Spielräume für Kinder, Münster, 13–39, 1992.

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[KiSpG 95] KiSpG: Kinderspielplatzgesetz in der Fassung vom 20. Juni 1995. In: GVBl., S. 388

[SfBJW 14] Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Wissenschaft: Pressemitteilung am 09.05.2014 zum Kita- und Spielplatzsanierungsprogramm. Online in Internet: http://www.berlin.de/ba-spandau/presse/achiv/ 20140509.0810.397052.html [Stand: 2014-12-10]

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

Abbildung 1: Distanz zum nächstgelegenen Spielplatz (eigene Darstellung)

Tabelle 1: Spielplätze in Pankow und angrenzenden Bezirken (Quelle: eigene Berechnung auf Grundlage des Datensatzes der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt Berlin)

Tabelle 2: Entfernung zum nächstgelegenen Spielplatz (Quelle: eigene Berechnung)

KontaktProf. Dr. Jürgen Schweikart

Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich III / Bauingenieur- und Geoin-formationswesen Luxemburger Straße 10, 13353 Berlin

Telefon: (030) 4504-2038 E-Mail: [email protected] Internet: https://labor.beuth-hochschule.de/ geovis/forschung

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Cross-Channel & Cross-Media Plattform für HochschulenProf. Dr. Robert Strzebkowski1; Sven Spielvogel, M.Sc.11 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Informatik und Medien

Kurzfassung

Die Beuth-Media Plattform ist ein stets wachsendes Gesamtsystem von sich ergänzenden Medi-en-,Kanälen‘ an der Beuth Hochschule für Technik Berlin, um wichtige und spannende Informati-onen der Hochschule auf multimediale Art und Weise und auf unterschiedlichen Mediengeräten den Studierenden, den Mitarbeiter/innen sowie den Besucher/innen bereitzustellen. Dazu zählen: die beuthBOX (WebTV), die liveBOX (live-Streaming), die Beuth-App sowie der interaktive Point of Information Terminal (POI).

Abstract

The Beuth-Media Platform is a still growing system of complementary ‘Media-Channels’ at the Beuth University in Berlin. The aim is to deliver important and interesting information to the au-dience – the students, the employees and the visitors - in a multimedia form. The Beuth-Media Platform consists of the beuthBOX (WebTV), the liveBOX (live-Streaming), the Beuth App as well as the interactive Point of Information Terminal (POI).

Einleitung Online-Informationsmedien gehören zum Alltag vor allem junger Zielgruppen. Breitband-Internet, auch über drahtlose Verbindungen, erlaubt es multimediale Inhalte problemlos zu übertragen. Aktuelle Trends sind der ‚Cross-Channel & Cross-Media‘ Ansatz, um Informationen auf verschie-denen Medienplattformen und -Geräten dem Publikum bereitzustellen, sowie das ‚Live-Dabei-sein‘ über Videostreaming z. B. bei Events und diversen Ereignissen. Die Beuth-Media Plattform begegnet diesen Trends.

Multimedialität und Ubiquität der Medien in urbanen RäumenDie stets steigende Verfügbarkeit des Breitband-Internet (heute bis 100 Mbit/s) und auch neuerdings unterwegs per LTE-Netze (sogar bis zu 300 Mbit/s) insbesondere in urbanen Umgebungen, erlaubt den Online-Informationsanbietern immer mehr multimediale Inhalte bereitzustellen – Bilder und Videos. Dieser Trend ist deutlich bspw. bei Online-Zeitungen, -Zeitschriften und insgesamt Nachrichten-Apps festzustellen, bei denen Bilder und sehr oft Videosequenzen fast jede Tagesmeldung als multimediales Material begleiten und damit für die Leser/Nutzer solcher Nachrichten viel lebendiger und näher an realen Schauplätzen darstellen lassen. Die multimediale Präsentationsform der Online-Informationen wird von den Nutzern als selbstverständlich wahrgenommen und bei solchen Informati-onsdiensten heute vorausgesetzt.

Abb. 1: Beispiel einer mobilen Nachrichtenanwendung. Quelle: Apple App Store



Ein weiterer aktueller Trend ist die Bereit-stellung von Informationen, hier vor allem Nachrichten, im sog. ‚Cross-Channel‘ Ansatz. Gemeint ist hier die Ausspielung und Abruf von tagesaktuellen Nachrichteninhalten par-allel über verschiedene Medienplattformen, -Geräte und -Applikationen, wie z. B.: über die Apps auf mobilen Geräten, klassisch über Webseiten, über sog. ‚Digital Signa-ge‘ Monitore in Läden, Einkaufszentren und Flughäfen, oder im Umfeld öffentlicher Ver-kehrsmittel, wie z. B. über Beamer auf Bahn-höfen und direkt in den Verkehrsmitteln selbst, wie z .B. in Berlin über das ‚Berliner Fenster‘ in der U-Bahn. Dieses ‚Cross-Channel‘ Szenario gehört nunmehr zum Bild einer modernen Stadt und man spricht in diesem Zusammenhang von ‚ubiquitären‘ (allgegenwärtigen) Medien und Informationsangeboten.

Abb. 3: Schematische Darstellung der ‚ubiquitären‘ Cross-Channel Medien im urbanen Umfeld

Abb. 2: ‚Berliner Fenster‘ – U-Bahn TV.

Eine der letzten und vor allem in die Zukunft gerichteten Entwicklungen im Bereich moderner Medien ist die Möglichkeit des ‚Live-Dabeiseins‘ an verschiedenen Geschehnissen und Events durch Video-Livestreaming. Vorgelebt wird das meistens durch TV-Nachrichtensendungen mit Live-Schaltungen zu aktuellen ‚Brennpunkten‘ der Politik, jedoch auch durch zunehmende Live-Übertragungen diverser Events per Internet. Als Beispiele gelten hier Kongresse und Tagungen wie re:publica, das TecWatch-Forum der IFA, die iTunes-Konzerte aus London oder die sog. ‚Hangouts‘ der Plattform Google+. Zunehmend mehren sich mobile App-Angebote, um direkt über Smartphones sog. ‚ad-hoc‘ (aus dem Stand) Video-Livestreams zu senden. In der fol-genden Abbildung 4 ist ein Beispiel einer solchen mobilen Applikation des Berliner Startups ‚mevango.com‘.

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Das sind die aktuellen Mediennutzungsmuster im urbanen Umfeld, so wie sie vor allem von jungen Menschen – zwi-schen 19 und 25 –, also im Alter vieler Studierenden täg-lich oder zumindest häufig gelebt werden. Diese Nutzer sind es inzwischen gewohnt, sich mit Informationen auf den verschiedenen Wegen zu versorgen. Diesen Medien-nutzungstrends müssen die Hochschulen als Arbeits- und Aufenthaltsorte für viele Tausend junger Menschen mit ho-hem Informationsbedarf begegnen und damit entsprechen-de zeitgemäße mediale Services anbieten.

Bereits seit dem Jahr 2010 werden an der Beuth Hochschu-le für Technik Berlin innovative Mediensysteme mit dem Ziel einer integrierenden Medien-Plattform – Beuth-Media – für Informations-, Kommunikations- und Lehr-/Lernzwecke

entwickelt. Damit sollten sowohl den Studierenden als auch den Hochschulmitarbeiter/innen sowie den Besucherer/innen und Interessierten zeitgemäße multimediale Publikations- und Kom-munikationskanäle über verschiedene Mediensysteme bereitgestellt werden. Ziel ist es, über spannende Aktivitäten, Events und relevante Inhalte unserer Hochschule intern sowie nach außen multimedial zu kommunizieren.

Abb. 4: App ,Flimme’ der Firma mevango.com

Abb. 5: Schematische Darstellung der Beuth-Media Plattform

Die Beuth-Media Plattform besteht aus folgenden Mediensystemen: der beuthBOX, einem Web-TV-System für Video-basierte Informationen, aus der liveBOX, einem Liveübertragungs- und Aufzeichnungssystem für Events, Kongresse, Vorträge und Vorlesungen, aus der Beuth-APP für mobile Geräte für relevante Presse-, Campus- und Termininformationen sowie aus dem interak-tiven Point-of-Information Terminal. Alle diese Mediensysteme entstanden im Rahmen mehrerer FuE-Projekte sowie Semester- und Abschlussarbeiten unter der Leitung des Autors am FB VI In-formatik und Medien in den Studiengängen Medieninformatik sowie Druck- und Medientechnik.



Die Mediensysteme der Beuth-Media Plattform sind nicht als ‚Selbstzweck‘ entstanden, sondern wurden durch Analysen, interdisziplinäre Gespräche und Umfragen der Zielgruppen inner-halb der Beuth Hochschule beglei-tet. In solchen Erhebungen wurden u. a. Zweck und Nutzungsbedürfnis-se abgefragt sowie die wesentlichen Inhalte und Funktionen für die poten-ziellen Nutzer – die Zielgruppen.

Es wurde versucht, soweit wie mög-lich bei der Umsetzung der Medien-systeme auf diese Wünsche und Bedürfnisse Bezug zu nehmen.

Abb. 6: Befragungsergebnisse zum Mediensystem ‚BeuthBOX‘, n = 170. Quelle: [Ame 12]

Abb. 7: Befragungsergebnisse zum interaktiven Point of Information Terminal (POI), n = 207, Quelle: [Voi 13]

Es drängt sich selbstverständlich die Frage auf, ob bspw. ein Sinn in der Bereitstellung multi-medialer Informationen über einen POI-Terminal besteht, wenn bereits eine Webseite und eine mobile App existieren. Nach den Slogans und medientheoretischen Ansätzen A) von Chris Ander-son (ehemaliger Chefredakteur von WIRED) „It‘s all about attention“ - Aufmerksamkeit ist alles [Spi 09] - und B) von dem bekannten kanadischen Medientheoretiker Marshall McLuhan „The Media is the Message“ [McL 67] sollte ein POI-Terminal mit hinreichend großem Monitor zum Einen die Aufmerksamkeit der hunderten am Tag vorbeigehenden Personen auf bestimmte wich-tige ‚Messages‘ der Hochschule lenken. Denn mit entsprechend gestalteten animierten Trailern und Videoeinspielungen kann durchaus höhere Aufmerksamkeit erzeugt werden als durch die eher statische und aufgeräumte Webseite oder mobile App. Zum anderen im Ansatz von McLuhan können hier die medienspezifische Eigenschaften eines großen POI-Bildschirms ausgespielt wer-den, auf dem bspw. Videosequenzen oder Bilder/Fotografien eine andere visuelle Wirkung als auf einem 5 Zoll breiten Smartphone-Display entfalten können.

Innovative Systeme zur Aufzeichnung und Übertragung von Vorlesungen Für Aufzeichnungen von Vorlesungen wurde das bereits an der Hochschule durch diverse Live-Videoübertragungen bekannte liveBOX-System erweitert: um eine automatisch agierende Videokamera zur Aufnahme der vortragenden Personen, um eine einfache webbasierte Steue-rungs-Applikation, damit Lehrkräfte mit geringem Aufwand ihre Vorlesungen aufzeichnen und den Studierenden bereitstellen können. Es wird aktuell an einer Automatisierung der Zuordnung der Seminarraumbelegung zu dem ›Kanal‹ der Lehrkraft gearbeitet, so dass beinahe nur eine START und STOP Taste betätigt werden muss, um die Vorlesungsaufnahme zu generieren.

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Abb. 8: Schematische Darstellung der automatischen Aufzeichnung und Übertragung von Vorlesungen.

KontaktProf. Dr. Robert Strzebkowski

Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich VI Informatik und Medien Luxemburger Straße 10, 13353 Berlin

E-Mail: [email protected] Internet: http://public.beuth-hochschule.de/~robertst

Danksagung An aktuelle und ehemalige Studierende und Mitarbeiter/innen, die an der Entstehung der Beuth-Media Plattform maßgeblich beteiligt sind oder waren: Prof. Dr. Jürgen Lohr, Prof. Antje Umstätter, Monika Jansen, Thomas Pehle, Andreas Tomm, Wolfgang Antoniazzi, Sven Spielvogel, Sebastian Riedel, Tim Gehrmann, Adam Piekarski, Andreas Raeder, Björn Voigt, Muhammet Ali Bekiroglu, Yasin Simsek, Mustafa Cim, Ünal Köylü, Madlin Ankert, Sarah Häuser, Pascal Schön, Heiko Mevius.

Literatur[Ame 12] Amedi, W, Heinke, H, Wildt, D.: Analyse des Nutzungsbedarfs und der Nutzungspoten-

tiale für ein WebTV an einer Hochschule – am Beispiel des Mediensystems beuthBOX, unveröffentlichte Studie der Beuth Hochschule, 2012

[McL 67] Mcluhan, M. & Fiore, Q.: The Medium is the Massage: An Inventory of Effects, Gingko Press GmbH, Berkeley, CA, 1967, Auflage (2011)

[Spi 09] Spiegel International Online: Chris Anderson on the Economics of ‘Free’: ‘Maybe Me-dia Will Be a Hobby Rather than a Job’, ein Interview, Spiegel, Hamburg, 2009.

[Voi 13] Analyse und Konzeption der crossmedialen Aufbereitung multimedialer Presse- und Informationsinhalte für das zukünftige Info-Terminal der Beuth Hochschule für Technik, eine unveröffentlichte Masterarbeit, Beuth Hochschule, 2013

Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Beispiel einer mobilen Nachrichtenanwendung. Quelle: Apple App StoreAbbildung 2: ‚Berliner Fenster‘ – U-Bahn TV. Quelle: mcrud.deAbbildung 3: Schematische Darstellung der ‚ubiquitären‘ Cross-Channel Medien im urbanen UmfeldAbbildung 4: App ‚Flimme’ der Firma mevango.comAbbildung 5: Schematische Darstellung der Beuth-Media PlattformAbbildung 6: Befragungsergebnisse zum Mediensystem ‚BeuthBOX‘, n = 170. Quelle: [Ame 12]Abbildung 7: Befragungsergebnisse zum interaktiven Point of Information Terminal (POI), n = 207, Quelle: [Voi 13]Abbildung 8: Schematische Darstellung der automatischen Aufzeichnung und Übertragung von Vorlesungen.


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TAGUNGSBAND – 21.04.2015 141

POSTER

RESEARCH DAY 2015 – STADT DER ZUKUNFT — TAGUNGSBAND – 21.04.2015

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Zur Vorbereitung von Laborversuchen für Studenten wurde eine GBL-Anwendung entwickelt. Die Logik für die dazu not-wendige game-basierte Simulation der Arbeitsvorgänge im Mikrobiologielabor wurde auf der Basis einer Netzstruktur, als Ablaufdiagramm, umgesetzt. Dieses wird angelehnt an die Verarbeitung eines Petrinetzes ausgeführt. Parallel ablaufen-de Teilprozesse sind dabei zeitgleich aktiv und müssen zur Optimierung der Laborarbeitszeit von den Studenten aufein-ander abgestimmt werden. Die Ablaufdiagramme der Labor-

Logik zur Simulation von Laborversuchen für eine Game-based-Learning-Anwendung

• proF. Dr. Felix AlexAnDer gerS · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected] • proF. Dr. SteFFen prowe · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected]

versuche können im UML-Format mit der DIA-Software grafisch eingepflegt werden. Dabei ist jeder Knoten entweder einem Arbeitsschritt oder einem Zwischenprodukt des Versuchs zu-geordnet. Er enthält die im Spiel damit assoziierten Texte, Gra-fiken und Geräusche. Das Ablaufdiagramm kann zur Laufzeit der GBL-Anwendung modifiziert und neu geladen werden. Die-se Eigenschaft ist zur effizienten Erstellung der Versuchsabläu-fe und Inhalte unerlässlich. Die grafische Darstellung wird mit-tels einer Game-Engine realisiert.

• Ausschnitt aus dem Ablaufdiagramm für denVersuch der Calciumbestimmung• 5: Belohnungsbild

• 3: Das virtuelle Labor als GUI derGBL-Anwendung

• 1: Die schriftliche Anleitung

• 6: Auswertung der Spielerleistung

• 4: Kontextsensitive Hilfe für das Objekt unterdem Mauszeiger (Wasserbad)

• 2: Zusatzinformationen zum Versuch

Research Day 2015Stadt der Zukunft Konzepte und Technologien

Medien- und KoMMuniKations- technologien

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Zur Vorbereitung von Laborversuchen für Studenten wurde eine GBL-Anwendung entwickelt. Die Logik für die dazu not-wendige game-basierte Simulation der Arbeitsvorgänge im Mikrobiologielabor wurde auf der Basis einer Netzstruktur, als Ablaufdiagramm, umgesetzt. Dieses wird angelehnt an die Verarbeitung eines Petrinetzes ausgeführt. Parallel ablaufen-de Teilprozesse sind dabei zeitgleich aktiv und müssen zur Optimierung der Laborarbeitszeit von den Studenten aufein-ander abgestimmt werden. Die Ablaufdiagramme der Labor-

Logik zur Simulation von Laborversuchen für eine Game-based-Learning-Anwendung

• proF. Dr. Felix AlexAnDer gerS · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected] • proF. Dr. SteFFen prowe · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected]

versuche können im UML-Format mit der DIA-Software grafisch eingepflegt werden. Dabei ist jeder Knoten entweder einem Arbeitsschritt oder einem Zwischenprodukt des Versuchs zu-geordnet. Er enthält die im Spiel damit assoziierten Texte, Gra-fiken und Geräusche. Das Ablaufdiagramm kann zur Laufzeit der GBL-Anwendung modifiziert und neu geladen werden. Die-se Eigenschaft ist zur effizienten Erstellung der Versuchsabläu-fe und Inhalte unerlässlich. Die grafische Darstellung wird mit-tels einer Game-Engine realisiert.

• Ausschnitt aus dem Ablaufdiagramm für denVersuch der Calciumbestimmung• 5: Belohnungsbild

• 3: Das virtuelle Labor als GUI derGBL-Anwendung

• 1: Die schriftliche Anleitung

• 6: Auswertung der Spielerleistung

• 4: Kontextsensitive Hilfe für das Objekt unterdem Mauszeiger (Wasserbad)

• 2: Zusatzinformationen zum Versuch



Sensor-basierte Erkennung von Kopf- und Körpergesten

• proF. Dr. cHriStiAn HertA · hochschule für technik und Wirtschaft Berlin ·[email protected]

kurzfassungBasis dieser Arbeit ist die Idee, dass ein Kopfhörer Körpergesten erkennen und als Eingabe interpretieren kann. Im Rah-men dieser Arbeit ist ein Gestenerken-nungssystem entstanden, welches acht teils ähnliche Gesten erkennen kann. Die auf unterschiedliche Art realisierte Gestenerkennung erreicht dabei Erken-nungsraten bis zu 97 Prozent.

diE datEnErfassungDie prototypische Entwicklung eines Gesten erkennenden Kopfhörers um-fasst die Hardwareplattform (siehe Abbil-dung 1 / Abbildung 2) und die Software zur Gestenerkennung. Das Gestenerken-nungssystem basiert auf Bewegungsda-ten, die Inertialsensoren aufzeichnen. Dazu wird ein Drei-Achsen-Beschleuni-gungssensor und ein Drei-Achsen-Rota-tionssensor auf einem Kopfhörer ange-bracht, wie Abbildung 1 modellhaft zeigt. Sämtliche Transformationen des Kopfhö-rers im Raum sind dadurch auf den ein-gezeichneten Achsen erkennbar.

• Abbildung 3: Exemplarischaufgenommenen Daten einer Geste

In der zugrundeliegenden Studie wurden folgende acht Gesten mit 23 Probanden mehrfach durchgeführt:

» U: Rückwärts (Rückwärts-bewegung des Oberkörpers)

» V: Vorwärts (Vorwärts-bewegung des Oberkörpers)

» S: Springen » KI: Kippen (des Kopfes) » N: Kopfnicken » KS: Kopfschütteln » L: Linksdrehung (des Kopfes) » R: Rechtsdrehung (des Kopfes)

diE systEmkomponEntEnFolgende Grafi k zeigt einen Überblick auf das Gesamtsystem:

• Abbildung 1: Modell Kopfhörer mitSensormodul (links) • Abbildung 2: Prototypischer Aufbau desKopfhörers (rechts)

• Abbildung 4: Systemübersicht

• Abbildung 5: Konfusionsmatrizendes SVM Klassifi kators (links) und der abstandsbasierten Klassifi kation (rechts) auf den Testdaten

Die resultierenden Daten einer Geste vi-sualisiert Abbildung 3 beispielhaft.

Aus der vorgestellten Datenstudie erge-ben sich die Trainings- und Testdaten. In diesen Daten werden anschließend die Gesten lokalisiert (Spotting). Die Da-tenreduktion kann optional auf die ge-spotteten Daten angewendet werden. Durch ein Clustering Verfahren werden ähnliche Datensätze dabei zusammen-gefasst und nur durch einen Stellvertre-ter repräsentiert. Auf diese Weise wird die Datenmenge reduziert, was sich ins-besondere in der implementierten, ab-standsbasierten Gestenerkennung (DTW Algorithmus) positiv auf die Performance auswirkt.

Aus den gespotteten Daten werden au-ßerdem Features extrahiert (beispiels-weise Fourier Koeffi zienten). Auf Basis der Features wird anschließend ein Klas-sifi kator trainiert. Die besten Ergebnisse (bestimmt per Kreuzvalidierung) erzielte dabei eine SVM.

diE ErgEBnissEDie Ergebnisse zu den unterschiedlichen Ansätzen, angewendet auf die Testda-ten, zeigen die folgenden Konfusionsma-trizen:

Kopfhörer

Spottingvon Gesten

Trainings- undTestdaten

FeaturesFeature ExtraktionGespotteteDaten

Gestenerkennung

Klassifikator basiertAbstandsbasiert

Datenreduktion

RU V S N KS KI L R

RU 10 0 0 0 0 0 0 0

V 1 9 0 0 0 0 0 0

S 0 1 9 0 0 0 0 0

N 0 0 0 10 0 0 0 0

KS 0 0 0 0 10 0 0 0

KI 0 0 0 0 0 10 0 0

L 0 0 0 0 0 0 10 0

R 0 0 0 0 0 0 0 10

RU V S N KS KI L R

RU 10 0 0 0 0 0 0 0

V 0 10 0 0 0 0 0 0

S 1 0 9 0 0 0 0 0

N 0 1 0 9 0 0 0 0

KS 0 0 0 0 9 0 1 0

KI 0 0 0 0 0 10 0 0

L 0 0 0 0 0 0 10 0

R 0 0 0 0 0 0 0 10

Ziel

klas

se

Vorhersage

Ziel

klas

se

Vorhersage

Klassifikation mit SVM Abstandsbasierte Klassifikation


medien- und kommunikations-technologien

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• Gestenset Leitstand-System am Multi-Touch-Tisch (Teil 1)


Multi-Touch-Displays und Smartphones im Rettungseinsatz bei GroßveranstaltungenziElstEllungGroßflächige Touch-Displays eignen sich für Leitstellen. GPS-re-ferenziert sind alle Mitarbeiter durch das Smartphone auf einer Karte verzeichnet. Durch die zeitnahe Kommunikation mit den mobilen Geräten der vor Ort Tätigen stehen für die Handlungs-entscheidungen aktuellere und informationsreichere Daten zur Verfügung. Beobachtungen und Interviews der Leistände der Polizei Berlin und der Johanniter-Unfallhilfe legen die Anforde-rungen des Systems fest und setzen den Grundstein eines ges-tengesteuerten Interaktionskonzeptes.

Beim Multi-Touch-Display sind die Interaktionen vielfältiger und legen oftmals mehrere Lösungen an Berührungen und Gesten zur Aufgabenbewältigung bereit. In den Abbildungen wird ein Überblick für das hier ausgesuchte Gestenset dargestellt. Die Multi-Touch-fähigen Displays bieten mehreren Nutzern gleich-zeitig die Systeminteraktion an einem Display. Das wird in die-sem Projekt anwendungsseitig durch bewegliche und mehrfach

aufrufbare Einsatz-Menüs unterstützt. Neben den Touch-Gesten werden ergänzend Trackingmarker gekennzeichnete Modelle zur haptischen Informationsvisualisierung genutzt. Es wurden branchenübergreifend zunächst verschiedene Spielzeug-/ Mo-dellautos erprobt und mit den Tracking-Markern versehen. Der »Samsung Sur40 with Pixelsense-Technologie« identifiziert die-se Marker und öffnet das jeweilige Einsatzszenario mit den im Marker hinterlegten Daten. Dies soll eine schnelle und intuitive Einsatzleitung ermöglichen. Eine Usabilitystudie wird den Pro-totyp untersuchen und unter anderem die Nutzerzufriedenheit sicherstellen.

projEktDieses Projekt wird im Rahmen des EFRE-geförderten For-schungsprojektes MoMo (»Mobile Computing und Eco Mobi-lity«) an der Beuth Hochschule für Technik Berlin seit Anfang 2013 untersucht und ist Gegenstand einer kooperativen Promo-tion zwischen der Technischen Universität Berlin und der Beuth Hochschule.

• b. Sc. MArk gebler · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected]• proF. Dr. guDrun görlitz · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected]



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Multi-Touch-Displays und Smartphones im Rettungseinsatz bei GroßveranstaltungenziElstEllungGroßflächige Touch-Displays eignen sich für Leitstellen. GPS-re-ferenziert sind alle Mitarbeiter durch das Smartphone auf einer Karte verzeichnet. Durch die zeitnahe Kommunikation mit den mobilen Geräten der vor Ort Tätigen stehen für die Handlungs-entscheidungen aktuellere und informationsreichere Daten zur Verfügung. Beobachtungen und Interviews der Leistände der Polizei Berlin und der Johanniter-Unfallhilfe legen die Anforde-rungen des Systems fest und setzen den Grundstein eines ges-tengesteuerten Interaktionskonzeptes.

Beim Multi-Touch-Display sind die Interaktionen vielfältiger und legen oftmals mehrere Lösungen an Berührungen und Gesten zur Aufgabenbewältigung bereit. In den Abbildungen wird ein Überblick für das hier ausgesuchte Gestenset dargestellt. Die Multi-Touch-fähigen Displays bieten mehreren Nutzern gleich-zeitig die Systeminteraktion an einem Display. Das wird in die-sem Projekt anwendungsseitig durch bewegliche und mehrfach

aufrufbare Einsatz-Menüs unterstützt. Neben den Touch-Gesten werden ergänzend Trackingmarker gekennzeichnete Modelle zur haptischen Informationsvisualisierung genutzt. Es wurden branchenübergreifend zunächst verschiedene Spielzeug-/ Mo-dellautos erprobt und mit den Tracking-Markern versehen. Der »Samsung Sur40 with Pixelsense-Technologie« identifiziert die-se Marker und öffnet das jeweilige Einsatzszenario mit den im Marker hinterlegten Daten. Dies soll eine schnelle und intuitive Einsatzleitung ermöglichen. Eine Usabilitystudie wird den Pro-totyp untersuchen und unter anderem die Nutzerzufriedenheit sicherstellen.

projEktDieses Projekt wird im Rahmen des EFRE-geförderten For-schungsprojektes MoMo (»Mobile Computing und Eco Mobi-lity«) an der Beuth Hochschule für Technik Berlin seit Anfang 2013 untersucht und ist Gegenstand einer kooperativen Promo-tion zwischen der Technischen Universität Berlin und der Beuth Hochschule.

• b. Sc. MArk gebler · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected]• proF. Dr. guDrun görlitz · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected]



Freistrahloptische KommunikationFree Space Optical CommunicationEinlEitung Die freistrahloptische Kommunikation (Free Space Optical Communica-tion oder kurz FSO) hat eine mehr als zweitausendjährige Tradition: vom Leuchtturm von Alexandria (um 290 vor unserer Zeitrechnung) über das »Photophon« von Alexander Graham Bell (um 1880), den stetigen Anstieg von FSO-Anwendungen in Militär und Raumfahrt seit Mitte des 20. Jahr-hunderts bis hin zu modernen FSO-Systemen mit typischen Anwendungs-feldern in der Chip-, Inhouse- und Weltraumkommunikation sowie in der Kopplung von Standorten über Entfernungen bis zu einigen Kilometern, die im Fokus dieses Beitrags steht.

standortkopplung mit fso, optischEr richtfunkVoraussetzung für eine robuste Standortkopplung ist eine geringe atmo-sphärische Dämpfung. Für schnelle Systeme bzw. große Reichweite wer-den derzeit in der Forschung Wellenlängen um 1550 Nanometer favorisiert, unter anderem wegen der größeren Augensicherheit (→ stärkere Signale) und der Kompatibilität zu Hochgeschwindigkeits-Glasfasernetzen gegen-über konventionellen Systemen bei 850 Nanometer. Beim Systementwurf sind eine Reihe von Störeinfl üssen zu berücksichtigen, zum Beispiel Ne-bel, Wolken, Gebäudebewegungen, Hindernisse oder Luftturbulenzen. Abhilfe bei Hindernissen schaff en Multi-Beam-Systeme oder die größere Vernetzung von Standorten, so dass mehrere redundante Wege entste-hen. Bei dichtem Nebel, tiefen Wolken oder großen Reichweiten stößt die reine FSO-Kommunikation jedoch leicht an ihre Grenzen. Wird ein schnel-les Richtfunksystem mit der in Glasfasernetzen üblichen Verfügbarkeit von 99,999 Prozent benötigt, bieten sich hybride Lösungen an, die klassischen Richtfunk mit FSO kombinieren. Die Störung der Funk- und Lichtfrequenzen erfolgt aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen weitgehend »wetter-komplementär«.

forschungsansätzE Bei Gebäudebewegungen wird das Empfangs-Terminal vom Sendestrahl unter Umständen nur noch teilweise oder überhaupt nicht mehr getroff en. Derzeit am Markt befi ndliche Auto-Tracking-Systeme können die Reichwei-te eines FSO-Systems mit 1 Gbit/s mehr als verdoppeln. Diese Systeme sind zu verbessern, damit künftig für Kompatibilität mit Hochgeschwindig-keits-Glasfasernetzen (N x 10 Gbit/s) das Laserlicht direkt in Single-Mode-Faser eingekoppelt werden kann. HHI und Beuth Hochschule verfolgen dazu einen Ansatz mit geregelten Kippspiegeln in Verbindung mit bidirekti-onaler Übertragung. Zur Kompensation von Luftturbulenzen (Szintillation) wird zusätzlich die Methode des kohärenten optischen Kombinierens bei multiplen optischen Sende- beziehungsweise Empfangsantennen unter-sucht.

• proF. Dr.-ing. MicHAel roHDe · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected] • Dr.-ing. nicolAS perlot · fraunhofer heinrich-hertZ-institut für nachrichtentechnik ·[email protected]

• Typische FSO-Anwendungsfelder und Reichweiten

• Absorption von Licht in der Atmosphäre

• Umwelteinfl üsse bei der Kommunikation zwischenGebäuden mit FSO-Systemen

• Kohärentes optisches Kombinieren zur Abmilderung derSzintillation (Prinzip)



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• Dr. MAxine SAborowSki · alice salomon hochschule Berlin · [email protected]• b.A. clAuDiA nuSS · alice salomon hochschule Berlin · [email protected]• proF. Dr. ingriD kollAk · alice salomon hochschule Berlin · [email protected]

Techniknutzung – ein Netzwerk-Modell am Beispiel AugensteuerungaugEnstEuErung als assistEnztEchnologiE Im Gesundheitswesen kommen komplexe Technologien zum Einsatz. In unserem Projekt haben wir Menschen mit starken motorischen und stimmlichen Einschränkungen beobachtet, die eine Augensteuerung zur Bedienung eines Sprachcompu-ters nutzen. Unsere These ist, dass die Nutzung einer Assistenz-technologie eine dynamische, interaktive Beziehung darstellt. Wir betrachten die Interaktionen zwischen den verschiedenen menschlichen und technischen Akteuren. Im alltäglichen Pro-zess der Nutzung verteilen die Akteure ihre Verantwortlichkei-ten immer wieder neu untereinander.

Arbeitshypothese: Ein Netzwerkmodell, das die Verteilung von Verantwortlichkeiten zwischen den beteiligten Akteuren dar-stellt, ist besser dazu geeignet, die Nutzung einer Assistenz-technologie zu beschreiben als ein dualistisches Nutzer-Tech-nik-Modell.

Methode: Wir nutzen Methoden der Ethnografi e wie teilneh-mende Beobachtungen mit Nutzern und Experteninterviews.

Ergebnisse & Diskussion: Entwicklung und Nutzung von Tech-nik sind miteinander verbunden: Entwickler entwerfen Sze-narien, wie ihre Geräte gebraucht werden, was das Gerät tun und können soll und was die Nutzer tun und können sollen. Diese Szenarien sind den Geräten eingeschrieben. Nutzer tref-fen bei der Nutzung wiederum ihre eigenen Entscheidungen, etwa was sie vom Gerät erwarten. Am Beispiel technischer Pro-bleme bei der Nutzung einer Augensteuerung können wir zei-gen, wie komplex diese Verteilung der Verantwortlichkeiten ist.

Wenn Probleme auftreten (etwa: die Kameras erkennen die Augen nicht), fi ndet man unterschiedliche Erklärungsansätze. Etwa: »Die Kamera ist wohl gerade gestört.« Oder: »Die Ausrich-tung oder der Abstand stimmen vielleicht nicht, wir sollten das mal überprüfen!« Möglich ist ferner: »Vielleicht hattest du ge-rade die Augen geschlossen. Versuchen wir es nochmal!« Hier wird die Verantwortlichkeit für die Probleme an unterschiedli-che Akteure delegiert: Gerät, Helfer oder Nutzer. Oft bleibt am Ende unklar, woran es lag, aber die Situationen spiegeln die Aushandlungsprozesse wider. Die oben abgebildete Netzwerk-grafi k stellt die verschiedenen Akteure und ihre Aufgaben dar.

fazitEine komplexe Technologie wie eine Augensteuerung beruht nicht allein auf den technischen Komponenten, sondern ihr Funktionieren entsteht aus einem interaktiven und kommuni-zierenden Netzwerk von menschlichen und technischen Akteu-ren. Bei technischen Problemen zum Beispiel lässt sich beob-achten, wie die Akteure untereinander ihre Verantwortlichkeiten diskutieren und auch anpassen. So können wir zeigen, wie sich soziale Kommunikation und Technik gegenseitig beeinfl ussen.

• Gerät mit Kommunikationsoberfl äche (Foto: Halstenberg, ASH Berlin)

gEfördErt vom

alea technologies gmbh



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• Dr. MAxine SAborowSki · alice salomon hochschule Berlin · [email protected]• b.A. clAuDiA nuSS · alice salomon hochschule Berlin · [email protected]• proF. Dr. ingriD kollAk · alice salomon hochschule Berlin · [email protected]

Techniknutzung – ein Netzwerk-Modell am Beispiel AugensteuerungaugEnstEuErung als assistEnztEchnologiE Im Gesundheitswesen kommen komplexe Technologien zum Einsatz. In unserem Projekt haben wir Menschen mit starken motorischen und stimmlichen Einschränkungen beobachtet, die eine Augensteuerung zur Bedienung eines Sprachcompu-ters nutzen. Unsere These ist, dass die Nutzung einer Assistenz-technologie eine dynamische, interaktive Beziehung darstellt. Wir betrachten die Interaktionen zwischen den verschiedenen menschlichen und technischen Akteuren. Im alltäglichen Pro-zess der Nutzung verteilen die Akteure ihre Verantwortlichkei-ten immer wieder neu untereinander.

Arbeitshypothese: Ein Netzwerkmodell, das die Verteilung von Verantwortlichkeiten zwischen den beteiligten Akteuren dar-stellt, ist besser dazu geeignet, die Nutzung einer Assistenz-technologie zu beschreiben als ein dualistisches Nutzer-Tech-nik-Modell.

Methode: Wir nutzen Methoden der Ethnografi e wie teilneh-mende Beobachtungen mit Nutzern und Experteninterviews.

Ergebnisse & Diskussion: Entwicklung und Nutzung von Tech-nik sind miteinander verbunden: Entwickler entwerfen Sze-narien, wie ihre Geräte gebraucht werden, was das Gerät tun und können soll und was die Nutzer tun und können sollen. Diese Szenarien sind den Geräten eingeschrieben. Nutzer tref-fen bei der Nutzung wiederum ihre eigenen Entscheidungen, etwa was sie vom Gerät erwarten. Am Beispiel technischer Pro-bleme bei der Nutzung einer Augensteuerung können wir zei-gen, wie komplex diese Verteilung der Verantwortlichkeiten ist.

Wenn Probleme auftreten (etwa: die Kameras erkennen die Augen nicht), fi ndet man unterschiedliche Erklärungsansätze. Etwa: »Die Kamera ist wohl gerade gestört.« Oder: »Die Ausrich-tung oder der Abstand stimmen vielleicht nicht, wir sollten das mal überprüfen!« Möglich ist ferner: »Vielleicht hattest du ge-rade die Augen geschlossen. Versuchen wir es nochmal!« Hier wird die Verantwortlichkeit für die Probleme an unterschiedli-che Akteure delegiert: Gerät, Helfer oder Nutzer. Oft bleibt am Ende unklar, woran es lag, aber die Situationen spiegeln die Aushandlungsprozesse wider. Die oben abgebildete Netzwerk-grafi k stellt die verschiedenen Akteure und ihre Aufgaben dar.

fazitEine komplexe Technologie wie eine Augensteuerung beruht nicht allein auf den technischen Komponenten, sondern ihr Funktionieren entsteht aus einem interaktiven und kommuni-zierenden Netzwerk von menschlichen und technischen Akteu-ren. Bei technischen Problemen zum Beispiel lässt sich beob-achten, wie die Akteure untereinander ihre Verantwortlichkeiten diskutieren und auch anpassen. So können wir zeigen, wie sich soziale Kommunikation und Technik gegenseitig beeinfl ussen.

• Gerät mit Kommunikationsoberfl äche (Foto: Halstenberg, ASH Berlin)

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Beuth App Ausgabegeräte

POI Terminal

beuthBox

liveBox für

Live-Event-Übertragungen &Vorlesungsaufzeichnungen

Website der Beuth Hochschule

CMS

• Tägliche Cross-Channel Informationskonsumption

• Teilautomatisierte Aufzeichnung von Vorlesungen

• Die Beuth Cross-Media Plattform

Cross-Channel- & Cross-Media-Platformfür Hochschulencross-channEl mEdia – dEr trEnd In urbanen Umgebungen werden wir bereits heute aus vielfälti-gen Medien an unterschiedlichen Orten mit neuesten Informati-onen und Nachrichten versorgt: morgens aus dem Radio und un-serem personal Mobile Device, unterwegs zur Arbeit/Hochschule über Monitore in der U-Bahn, über Beamerprojektionen oder über unsere eigenen Smartphones, abends beim Einkaufen über sog. Digital Signage oder Point of Information Monitore. Man spricht dabei von sog. ›ubiquitären‹ Medien. Das ist der Alltag vor allem für jüngere Zielgruppen (bis ca. 35 Jahre alt), die jeden Tag sehr mobil sind und dabei stets informiert bleiben möchten. ›Cross-Channel‹ bedeutet dabei, dass Informationen über ver-schiedene Medienkanäle – z. B. Webseite, Facebook, YouTube oder TV – und über verschiedene Medienplattformen – z. B. mo-bile Apps, eine Beamerprojektion usw. – bereitgestellt werden. Die Informationen sind multimedial mit mind. einem Bild und zunehmend mit Videos aufbereitet – es lebe wieder Multimedia!

diE BEuth cross-mEdia plattformAn der Beuth Hochschule für Technik wird neben den Informa-tionsangeboten über die Webseite, Facebook und YouTube seit knapp drei Jahren an einer innovativen integrierten Cross-Chan-nel- & Cross-Media-Plattform – der Beuth-Media-Plattform – für Informations-, Kommunikations- und Lehr-/Lernzwecke gear-beitet. Die Plattform besteht aus der BeuthBOX – einem WebTV-System für Video- und Bild-basierte Informationen –, aus der liveBOX – einem Liveübertragungs- und Aufzeichnungssystem für Events, Kongresse und Vorlesungen –, aus der Beuth-APP für mobile Geräte für relevante Presse-, Campus- und Terminin-formationen sowie aus dem interaktiven Point-of-Information Terminal, auf dem wichtige aktuelle Ereignisse und bedeutende Informationen präsentiert werden. Jeder dieser ›Channels‹ und ›Medien‹ hat seine eigene im Gesamtsystem ergänzende media-le Aufgabe und Wirkung. Damit soll dem Trend des ›Cross-Chan-nel-Informierens‹ begegnet werden! Wichtige Anforderung ist es,die Daten möglichst zentral und automatisiert aufzubereiten.

diE zukunft ist moBil, adaptiv und automatisiErtIn aktuellen Arbeiten werden mobile Geräte noch stärker berück-sichtigt, sowohl für die Informationsdistribution als auch bei der Produktion. Für Aufzeichnungen von Vorlesungen wurde ein Sys-tem bestehend aus einer automatisch agierenden Videokame-ra und einer mobilen Steuerungs-Applikation entwickelt, damit Lehrkräfte mit geringem Aufwand ihre Vorlesungen aufzeichnen können. Die Adaptivität äußert sich u. a. in automatischer Zu-ordnung der Seminaraufzeichnung an den ›Kanal‹ der Lehrkraft.

• proF. Dr. robert StrzebkowSki · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected] • M.Sc. SVen SpielVogel · Beuth hochschulefür technik Berlin · [email protected]




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BioClime-Projekt: Nachhaltigkeit und Energieeffizienz in Sonderanlagen / Teilaspekt Bauepochen in deutschen ZoosProf. Dipl.-Ing. Katja Biek1; Dipl.-Ing. Arch. Helena Broad1; Doan Manh Trung, B.A.11 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Architektur und Gebäudetechnik

Kurzfassung

Zoogebäude haben in Deutschland eine mehr als 150-jährige Geschichte. Seit der Eröffnung des ersten deutschen Zoos 1844 haben sich sowohl die Zootierhaltung als auch die Bautechnik sowie Architektursprache mehrfach gewandelt und kontinuierlich weiterentwickelt. Insbesondere die ganzjährige Haltung und Präsentation von tropischen Tieren (und Pflanzen) in Gebäuden stellt die Architektur und Bauphysik vor eine spezielle Herausforderung. Heutzutage wird der energieintensive Betrieb dieser klimatischen Sonderbauten durch die steigenden Energiepreise immer mehr zum Thema.

Abstract

In Germany exists a history of more than 150 years of zoo buildings. Since the opening of the first zoo in the year 1844 the position to animal husbandry, construction of the buildings and within the architectural language has changed and developed. Especially the presentation und custody over the whole year of tropical animals (and also plants) in buildings needs a special treatment for the architectural and physical aspects of these. Because of increasing energy prices nowadays the energy-intensive running of these climatic special structures is a topic you can not walk by.

EinleitungDie erste Welle der öffentlichen Zoogründungen in Deutschland findet während der zweiten Hälf-te des 19. Jahrhunderts statt und basiert oftmals auf der Initiative von Bürgern, die Tiergärten als Bildungseinrichtungen und urbane Erholungsstätten gründen. Von Beginn an haben zoologische Gärten oder Tierparks in Deutschland den Anspruch, ein öffentlicher und oftmals urbaner Garten oder Park zu sein, der zum einen Naherholung ermöglicht und zum anderen dem Besucher das Tierreich nahebringt. Diese beiden Ansprüche bestehen bis heute und führen gerade in den Stadtzoos zu einem Wettkampf um Quadratmeter.

Zunächst steht in den Zoos die Präsentation möglichst vieler exotischer Tierarten im Vorder-grund, die in kleinen Gehegen oder Käfigen ausgestellt werden. Die Zoogebäude dienen als Kulisse, die an die fremden Kulturen als Herkunftsort dieser Tiere erinnern sollen.

Die Architektursprache dieser Gebäude läuft dadurch oft auf einen Exotismus und Historismus hinaus. Mit der Jahrhundertwende sinkt jedoch das öffentliche Interesse an der reinen Zur-schaustellung der Tiere, sodass einige Zoos die Außengehege naturalistischer gestalten, um die lebenden Tiere in einer „naturnahen“ Umgebung darzustellen. Federführend hierbei ist Carl Hagenbeck, der 1907 den Tierpark Hagenbeck Stellingen bei Hamburg eröffnet und das Prinzip der Freisichtanlagen realisiert, in dem mehrere Tierarten in einem „naturnahen“ Gesamtpano-rama gezeigt werden, kaschierte Stallungen und weitläufigere Gehege werden getrennt durch eingearbeitete verdeckte Gräben. Diese Darstellungsphilosophie gilt immer noch als Vorreiter für heutige Zooanlagen.

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HauptteilDer Erste Weltkrieg sowie die Weltwirtschaftskrise verursachen Verluste am Tierbestand und die Schließung etlicher Zoos. In den 1930er Jahren formuliert sich vermehrt der Tierschutzge-danke in Deutschland, der sich im Reichstierschutzgesetz von 1933 wiederspiegelt und auch eine prinzipielle Kritik an der Haltung von (insbesondere exotischen) Wildtieren darstellt. In dieser Zeit werden einige Heimattiergärten gegründet, in denen hauptsächlich die einheimische Fauna gezeigt wird. Diese Anlagen konnten mit lokalen Klimabedingungen, lokalen Pflanzen in Außengehegen und Gebäuden in der regionalen Architektursprache arbeiten. Viele dieser neuen Tierparks werden jedoch nach dem Zweiten Weltkrieg zu Zoos mit „einem breiteren Spektrum des Tierbestands“ ausgebaut ([Dit 12], S. 16).

Abb. 3: Zeitstrahl – Anfänge der zoologischen Gebäude (Quelle: BioClime)

Nach den weitreichenden Zerstörungen während des Zweiten Weltkrieges kommt es in den 1950er Jahren zum Wiederaufbau und zu Neugründungen von Tierparks, ausgelöst durch ein verstärktes Interesse und den wirtschaftlichen Aufschwung (u.a. 1950 Stuttgart, 1952 Rostock, 1955 Tierpark Berlin). Dies bringt – aufgrund neuer Ansätze in der Tierhaltung und der sachlichen Architekturprache der Nachkriegsmoderne – eine grundlegende Neustrukturierung und Gestal-tung der Anlagen mit sich. Die Erforschung der artgerechten Haltungsbedingungen im Zoo und der tiermedizinischen Versorgung, die seit dem Ersten Weltkrieg stattfindet, trägt dazu bei, dass ab den 1970er Jahren keine Entnahme von Tieren aus der Wildbahn mehr notwendig ist. (vgl. [Dit 12], S. 17) Diese Unabhängigkeit entspricht auch dem aufkommenden Artenschutzgedanken der Zeit, der sich beispielsweise im Washingtoner Artenschutzabkommen von 1973 (CITES Conventi-on on International Trade with Endangered Species) wiederspiegelt.

Die Erkenntnisse in der Zootierhaltung und tiermedizinischen Versorgung legen jedoch den Ge-staltungsfokus bei neuen Gehegen auf hygienische und funktionale Haltungssysteme. Diese Ausstattung entspricht dem wissenschaftlichen Verständnis einer artgerechteren Haltung von Tieren im Zoo und auch der zeitgenössischen Architektursprache, wirkt aber für den Zoobesucher zunehmend technisch und steril (s. Abb. 4).

Abb. 1: Antilopenhaus Zoo Berlin 1872 (Quelle: EFRE-Projekt; eigene Darstellung)

Abb. 2: Afrikapanorama Tierpark Hagenbeck (Quelle: [Mei 09])

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Abb. 4: Menschenaffenhaus Berlin, 1970er Jahre (Quelle: [Klö 90])

Abb. 5: Die Tropenhalle im Allwetterzoo Münster (Quelle: BioClime (2014); eigene Darstellung)

Abb. 6: Zeitstrahl – Kriegs- und Nachkriegszeit (Quelle: BioClime (2014); eigene Darstellung)

1. Nachbildung von Lebensräumen – Nachhaltigkeit

An den „Kachelzoos“ (vgl. [Mei 09], S. 24) der 1950er bis 1970er Jahre sowie an noch erhalte-nen älteren Gehegen macht sich ab den 1970er Jahren Kritik breit. Die sterilen und funktionalen Gehege wirken auf die Zoobesucher zunehmend unnatürlich und nicht „artgerecht“. Die Zoos reagieren auf diese Kritik, in dem sie den Fokus bei der Gehegegestaltung auf die vornehmlich visuellen Besuchervorstellungen einer Tierhaltung in möglichst „naturnahen“ Lebensräumen le-gen. Aus diesen neuen Ansprüchen ergibt sich ein Spannungsdreieck zwischen der Zoologie, dem Besucher und dem Gebäude (s. Abb. 7). Der veränderte Fokus bedeutet wesentlich größere Gehe-ge und erhebliche Investitionen. Darüber hinaus führt der Einsatz von Gräben als Gehegebegren-zung einerseits zu einer Freisicht auf die Tiere, andererseits effektiv zu einer Verkleinerung der eigentlichen Tiergehegefläche. Diese Entwicklung ist insofern problematisch, da seit den 1980er Jahren die Mindestanforderungen an die Gehegegrößen gesetzlich festgelegt und fortwährend verschärft werden. Als Teil der Umstrukturierung und Modernisierung vieler Zoos in den 1990er Jahren werden nun die Tiere und Pflanzen gemeinsam in „naturalistisch“ nachgebildeten Lebens-räumen nach geographischen Zonen ausgestellt. Das Prinzip des „Geozoos“ besteht zwar schon länger, wird jedoch heute weiterentwickelt zu einer umfassend gestalteten „Erlebnisarchitektur“ (siehe z. B. neuere Anlagen des Erlebniszoos Hannover). Der Pflanzenanteil in diesen Gebäuden ist relativ hoch, was die Bauphysik vor neue Herausforderungen hinsichtlich der Feuchte im Innenraum und an die Baumaterialien stellt. Diese Entwicklung hin zu großen, energieintensiv betriebenen Innengehegen erweist sich als gegenläufig zu dem gleichzeitig auftretenden Trend des „ökologischen Bauens“ und der Energiepolitik der Bundesregierung.

Schon in den 1970er Jahren verabschiedete die Bundesrepublik Deutschland als Reaktion auf die erste und zweite Ölkrise 1976 das EnEG gefolgt von der Wärmeschutzverordnung 1977. Seitdem werden die Richtlinien zum Energieverbrauch von Gebäuden kontinuierlich verschärft, was sich auch im Neubau und in der Sanierung von Sonderbauten der zoologischen Gärten wiederspiegelt und den hohen Energieverbrauch dieses Gebäudetypus zunehmend in den Fokus rückt.

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Abb. 7: Spannungsdreieck (Quelle: BioClime (2014); eigene Darstellung)

2. Ergebnis

Auch das zunehmende Alter des Gebäudebestandes der Zoos sowie die hohen Betriebskosten der Zoogebäude fordern bauliche und technische Erneuerungen. Zur Ermittlung und Darstellung der Zusammenhänge zwischen Bauepoche, Nutzung und Energieverbrauch dieses Gebäudetyps sind im BioClime-Projekt Erhebungsbögen zur Datenerfassung und -systematisierung entwickelt worden. Im Ergebnis wird deutlich, dass 64 % der Gebäude in den befragten Zoos aus der Nach-kriegszeit (1945–1990) stammen. Weitere Nachfragen ergaben, dass die Hauptproblemfelder von Zoogebäuden im hohen Energieverbrauch und Schäden an der Bausubstanz liegen. Für diesen „alternden“ und klimatisch komplexen Gebäudebestand bedarf es einer energetischen Analyse, für die Daten erhoben, erfasst und kategorisiert werden müssen. Darauf aufbauend können zeitgemäße und maßgeschneiderte Lösungen zur Behebung von Gebäudeschäden und zur Redu-zierung des Energieverbrauches erarbeitet werden.

ZusammenfassungZoos in Deutschland werden auch zukünftig in ihre Anlagen investieren müssen, zum einen um den immer wieder verschärften gesetzlichen Kriterien der Zootierhaltung und dem erhöh-ten Anspruch der Besucher an eine „naturnahe“ Präsentation der Tiere zu entsprechen, zum anderen um ihre Wettbewerbsfähigkeit durch neue „Besucherattraktionen“ aufrechtzuerhalten.

Abb. 8: Zeitstrahl – Energiepolitischer Kontext (Quelle: BioClime (2014); eigene Darstellung)

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Die geplanten Neubauten im Zoo werden weiterhin repräsentative und klimatisch komplexe Son-derbauten sein, die einer individuell abgestimmten Planung bedürfen, zumal der Bau oftmals im laufenden Besucherbetrieb stattfinden muss. Es gilt den Spagat zwischen der energieintensiven Bereitstellung eines fremden Lebensraums und dem optimierten und bauphysikalisch abge-stimmten Betrieb zu bewerkstelligen.

Literatur[Bie 07] Katja Biek;( EFRE) BAER-Projekt – Entwicklung einer IT-gestützten Service-Infrastruktur

für öffentliche Räume, 2007

[Bie 12-1] Katja Biek, Nora Exner und Helena Broad; Auswertung Erhebungsbogen „Enegie im Zoo“. ZooTechnikerTagung 2012 Hannover; Berlin: Beuth Hochschule für Technik, 2012

[Dit 12] Lothar Dittrich und Gunther Nogge; Zootierhaltungen: Grundlagen. 10. Auflage; Frankfurt am Main; Verlag Harri Deutsch, 2012; ISBN 978-3-8171-1892-2

[Klö 90] Heinz-Georg und Ursula Klös; Der Berliner Zoo im Spiegel seiner Bauten 1841–1989; 3. Auflage; Berlin: Heenemann Verlagsgesellschaft mbH, 1990; ISBN 3-87903-069-3

[Mei 09] Jürg Meier; Handbuch Zoo. 1. Auflage. Bern; Stuttgart; Wien: Haupt Verlag, 2009; ISBN 978-3-258-07448-1

[She 11] Anthony Sheridan; Das A und O im Zoo: Europas führende Zoologische Gärten 2010–2020 1. Auflage; Münster: Schüling Verlag, 2011; ISBN 978-3-86523-184-0


Abbildung 1: Antilopenhaus Zoo Berlin 1872

Abbildung 2: Afrikapanorama Tierpark Hagenbeck

Abbildung 3: Zeitstrahl – Anfänge der zoologischen Gebäude

Abbildung 4: Menschenaffenhaus Berlin, 1970er Jahre

Abbildung 5: Die Tropenhalle im Allwetterzoo Münster

Abbildung 6: Zeitstrahl – Kriegs- und Nachkriegszeit

Abbildung 7: Spannungsdreieck (Quelle: BioClime)

Abbildung 8: Zeitstrahl – Energiepolitischer Kontext

KontaktProf. Dipl.-Ing. Katja Biek

Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich IV / Architektur und Gebäudetechnik Luxemburger Straße 10, 13353 Berlin

Telefon: (030) 4504-2535 E-Mail: [email protected] Internet: https://projekt.beuth-hochschule.de/ bioclime

Förderkennzeichen 03ET1035J

Gefördert durch:

In Kooperation mit:Entstanden im Rahmen des Projektes BioClime

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SysEff-Projekt: Nachhaltigkeit und Energieeffizienz in Sonderanlagen – Teilaspekte: Wärmeverbrauchsanalyse und WasseraufbereitungProf. Dipl.-Ing. Katja Biek1; Dipl.-Ing. Erik Thrun1; Dipl.-Ing. Grzegorz Cholda1; Stefan Gräser2

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Architektur und Gebäudetechnik 2 BioClime

Kurzfassung

Ausgangspunkt des Projektes ist die systematische Analyse diverser Verbrauchsdaten. Zum einen werden vorliegende detaillierte Verbrauchswerte des Kooperationspartners analysiert und mittels Messungen vor Ort ergänzt. Zum anderen gehört ein nachhaltiges Wassermanagement zu einer systemischen Analyse. Weiterführend werden die Verbrauchswerte, Energieerzeugungsarten und Energieverteilungen des Sonderareals für die Datenanalyse benötigt. Anhand der Daten werden die einzelnen Sondergebäude in verschiedene Gebäudetypen untergliedert. Langfristiges Ziel ist es, auf Basis der analysierten Daten, Kennzahlen für die Sondergebäude in Abhängigkeit von Nutzer, Gebäudetyp, Gebäudebelegung sowie Verbrauchs- und Betriebskosten zu erstellen (Datenverwendung). Die effizienteren und optimierten Versorgungsmodelle werden simuliert und im Feld implementiert. Darüber hinaus werden die Mechanismen und die Wirkungsweise einer Pflanzenkläranlage als nachhaltige Wasseraufbereitungsmethode untersucht, um künftig auch in Sonderarealen ein nachhaltiges Wassermanagement einführen zu können.

Abstract

Basis of the project is a systematic collection and analysis of consumption data collection. Therefor detailed information about energy consumption is provided by cooperation partners. The collected data, as there are consumption data, energy generation and distribution data are used for energy analysis. Based on this analysis the specialized building types are categorized by their attributes. The aim is to establish operating numbers for those kind of specialized building types as a function of user behaviour, building category and operating costs. More efficient and optimized energy supply strategies are simulated and implemented.

EinleitungDie Grundlage ist eine Arealbetrachtung im Feldobjekt „Allwetterzoo Münster“. Der Zoo stellt ein Sonderareal dar, da er sich durch eine Mischbebauung auszeichnet. Auf dem Zoogelände befin-den sich Gebäude mit unterschiedlichen Last- und Nutzungsprofilen. Neben den unterschiedli-chen Tiergehegen sind auf dem Gelände Wohnungen, Verwaltungsgebäude, Büros, Restaurants, Läden, Werkstätten und Kühlhäuser vorhanden. Die von Seiten des Zoos zur Verfügung gestellten Verbräuche werden für die Datenanalyse aufbereitet. Das Areal hat eine Fläche von ca. 30 ha und besteht seit 1974. Die von der Heizzentrale bereitgestellte Wärme wird mittels einer Nahwärme-trasse an 43 Gehege und Gebäude verteilt. Die Nahwärmetrasse hat eine Gesamtlänge von ca. 4.800 m und ist in einen Ost- und einen Weststrang aufgeteilt. Die Wassertrasse verläuft parallel zur Wärmetrasse. Der Großteil der Gebäude ist heizungsseitig direkt an das Netz angeschlossen. Die beiden Trassenstränge werden unabhängig voneinander betrieben, sie können zu einem Ring verbunden werden, um im Havariefall eine Redundanz sicherzustellen. Die Wärmeenergie in der Heizzentrale wird mittels verschiedener Wärmeerzeugungsanlagen bereitgestellt. Neben einem stromgeführten BHKW übernehmen zwei Gas-Brennwert-Kesselanlagen den Grundlastbetrieb. Für die Spitzenlasten und als Redundanz fungiert eine Öl-Kesselanlage. Aufgrund des Technologie-transfers mit dem zeitgleich laufenden FuE-Projekt BioClime können die dort ermittelten Daten für die Betrachtungen herangezogen werden.

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1. Verbrauchsanalyse

Zur genaueren Analyse der Einflüsse der Gebäudetypen auf das Netz wird ein Trassenplan er-stellt. In diesem sind sämtliche erfassten Daten dokumentiert. Des Weiteren werden die Gebäude nach ihrer Typologie geclustert (vgl. Abb. 1).

Abb. 2: Übersicht Mittelwerte der Jahresverbräuche (2008–2013) (Daten: Zoo Münster; Darstellung: SysEff 2014)

Abb. 1: Trassenplan Zoo Münster, Nahwärme und Wasser (Daten: Zoo Münster; Darstellung: SysEff 2014)

Anhand der Verbrauchsdaten der einzelnen Gebäude kann die Entwicklung der Jahresverbräu-che dargestellt werden. Diese Informationen sind Basis für die Ermittlung der energetischen Sanierungspotenziale – bezogen auf mögliche Betriebsweisen der Kesselanlagen und somit der Nahwärmetrasse. Rechnerisch und grafisch können durch Vergleich der jährlichen Verbrauchsda-ten (Zeitraum 2008–2013) beispielhaft die energetischen „Sorgenkinder“ des Zoos ausgemacht werden. Zur Analyse werden im ersten Schritt 13 typische Gebäude herangezogen.

Abbildung 2 veranschaulicht, dass die Gehege, in denen ein tropisches Klima erzeugt wird, im Vergleich zu den anderen Gebäuden einen erhöhten Wärmeverbrauch aufweisen. In diesen Gehe-gen herrschen ganzjährig energieintensive Temperaturen von mindestens 24 °C und eine relative Luftfeuchte zwischen 75 und 80 %.

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2. Optimierungspotenzial

Im weiteren Verlauf werden der Gesamtwärmeverbrauch in Prozesswärme und Heizwärme auf-geschlüsselt. Werkzeug ist das Tagesmitteltemperaturverfahren nach VDI 3807; vgl. Abb. 3. Bei Gebäude Nr. 14, tropisches Klima, beträgt der Verbrauch (Anstieg) 361,8 KWh/K im Jahr 2013, der Prozesswärmeverbrauch liegt bei ca. 1 MWh und die Heizgrenztemperatur ist in etwa 18 °C.

In der weiteren Analyse wird der Normverbrauch als Produkt aus dem Wärmebedarf pro Kelvin und der Temperaturdifferenz zwischen Heizgrenztemperatur und der Normaußentemperatur be-rechnet. Gemäß dem Deutschen Wetterdienst (DWD) beträgt die Normaußentemperatur für die Region Münster -12 °C.

Abb. 3: Grafische Darstellung des Tagesmitteltempe-raturverfahrens am Beispiel von Gebäude Nr. 14 (Daten: Zoo Münster; Darstellung: SysEff 2014)

Abb. 4: Jahres- und Heizwärmeverbrauch sowie klimabereinigter Verbrauch des Gebäudes Nr. 14 (2008–2013) (Daten: Zoo Münster; Darstellung: SysEff 2014)

Nach der Berechnung mit der oben aufgeführten Formel ergibt sich ein Normverbrauch von 10,88 MWh. Um eine Vergleichbarkeit der Heizwärme mit anderen Sondergebäuden mit gleichar-tigem Nutzerprofil gewährleisten zu können, muss eine Klimabereinigung der Daten erfolgen. Zur Klimabereinigung werden die Heizwärmeverbräuche mit Klimafaktoren bereinigt. Diese Klimafak-toren sind standort- und jahresabhängig. In Abbildung 4 sind die jeweiligen Verbrauchswerte für das Jahr 2013 des Gebäudes Nr. 14 dargestellt. Der hierfür verwendete Klimafaktor beträgt, laut Institut Wohnen und Umwelt (IWU), 1,05 für die Region Münster.

Darüber hinaus lässt sich anhand der Daten die Gradtagzahl (Gt) bestimmen. Die mittleren Au-ßentemperaturen (t

am) der 273 Heiztage können vom Deutschen Wetterdienst (DWD) bezogen

werden. In Abb. 5 sind Differenzen aufgelistet. Es ist klar erkennbar, dass auch bei den tropi-schen Gebäuden Optimierungspotenzial vorhanden ist.

Abb. 5: Gradtagzahlen der einzelnen Gebäudetypen

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3. Versuchsstand biologische Wasseraufbereitung

Für ein nachhaltiges Wassermanagement wird eine Pflanzenkläranlage im Labormaßstab ent-wickelt. An dieser werden Aufbereitungsversuche gefahren, die dann im Feld erprobt werden. Eine Pflanzenkläranlage besteht im Wesentlichen aus zwei Anlagenteilen: einer Apparatur für die Vorreinigung und dem bewachsenen Bodenfilter. In der Vorklärung werden dem Abwasser durch mechanische Verfahren die groben Bestandteile entzogen. Die eigentliche Reinigung findet im bewachsenen Bodenfilter statt. Es gibt zwei unterschiedliche Ansätze: horizontal- sowie verti-kaldurchflossene Bodenfilter. Bei der Versuchsanlage handelt es sich um einen Vertikalfilter, der von oben nach unten durch das Abwasser diskontinuierlich durchflossen wird. Durch die diskon-tinuierliche Beschickung mit anschließender Betriebspause finden in diesem Bodenfilter meist aerobe Prozesse statt. Diese werden durch das nach unten sickernde Wasser begünstigt, da mit dem fallenden Wasserspiegel die Luft in den Filterboden nachgezogen wird.

Die zuvor beschriebenen Prozesse werden in Laborversuchen überprüft. Das zur Verfügung ste-hende Versuchsmodell ist ein vertikaldurchströmter, bepflanzter Bodenfilter. Anhand der Messun-gen soll überprüft werden, ob die Funktionalität der Anlage gegeben ist, d.h. ob Nitrat, Nitrit, Ammonium und Phosphat abgebaut bzw. in den Bodenfilter gebunden werden können. Aufgrund der Bauweise der Versuchsanlage wird erwartet, dass der Abbau von Nitrit bestätigt wird; die Nitrat-Werte sollten unverändert bleiben. Die Besonderheit ist, dass es sich um einen Labormaß-stab handelt und die Pflanzenkläranlage im Innenraum aufgestellt ist.

Die Analyse der Messdaten bestätigt die erwarteten Mechanismen. Die Nitrit-Werte sind nach dem Passieren des vertikaldurchflossenen Bodenfilters deutlich gesunken (vgl. Abb. 7). Die Kon-zentration von Nitrat bleibt unverändert, da es nur in anaeroben Prozessen abgebaut werden kann. Im vertikaldurchflossenen Bodenfilter finden hauptsächlich aerobe Prozesse statt. Es wird weder eine Reduktion der Phosphatwerte noch die Bildung von Ammonium festgestellt. Alle ermittelten Werte liegen innerhalb der durch die Trinkwasserversorgung definierten Grenzen für Trinkwasser.

Abb. 6: Schema der Pflanzenkläranlage (Quelle: SysEff 2014)

Abb. 7: Nitrit-Abbau in einem vertikaldurchflossenen Bodenfilter (Quelle: SysEff 2014)

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Zusammenfassung und AusblickBesonderes Augenmerk soll auf das Sanierungskonzept der Wärmetrasse gelegt werden, dabei soll untersucht werden, ob die Trasse in den Übergangszeiten als Wärmespeicher für sensible Wärme genutzt werden könnte. Zum Beladen des Speichers soll der Wärmeüberschuss aus dem stromgeführten BHKW, der installierten Solarthermieanlagen oder den Wärmepumpen genutzt werden. Für die Simulation der Trasse wurde bereits ein Rohrnetzberechnungstool programmiert. Das theoretische Potenzial, die baulichen Voraussetzungen und die Randbedingungen sollen untersucht und berechnet werden.

Pflanzenkläranlagen können zur Umsetzung der Ziele einer nachhaltigen Wasserwirtschaft eine wichtige Rolle einnehmen. Sie sind kostengünstig, sicher im Betrieb und können als dezentrale Anlagen betrieben werden. Diese Eigenschaften machen sie attraktiv für den Betrieb in Sonder-anlagen, in welchen Wasser in unterschiedlichen Bereichen und Qualitäten benötigt wird. So kann das Abwasser aus einem Bereich aufbereitet und in einen anderen als Nutzwasser zuge-führt werden. Der vorhandene Versuchsstand soll durch digitale Steuerungstechnik automatisiert werden.

Literatur[Rec 13] Hermann Recknagel, Eberhard Sprenger, und Ernst-Rudolf Schramek. Taschen-

buch für Heizung und Klimatechnik, 76. Auflage. Herausgeber: Rudolf Schramek. München: Oldenbourg Industrieverlag GmbH, 2013. ISBN 978-3-8356-3301-8

[VDI 3807-2] VDI 3807-2. Verbrauchskennwerte für Gebäude – Verbrauchskennwerte für Heiz-energie, Strom und Wasser. VDI Gesellschaft Bauen und Technik, 2012.

AbbildungsverzeichnisAbbildung 1: Trassenplan Zoo MünsterAbbildung 2: Übersicht Mittelwerte der Jahresverbräuche (2008–2013) Zoo MünsterAbbildung 3: Grafische Darstellung des Tagesmitteltemperaturverfahrens am Beispiel von Gebäude Nr. 14Abbildung 4: Jahres- und Heizwärmeverbrauch sowie klimabereinigter Verbrauch (2013) des Gebäudes Nr. 14Abbildung 5: Gradtagzahlen der einzelnen Gebäudetypen Abbildung 6: Schema der PflanzenkläranlageAbbildung 7: Nitrit-Abbau in einem vertikaldurchflossenen Bodenfilter



Telefon: (030) 4504-2535 E-Mail: [email protected] Internet: http://www.beuth-hochschule.de/ people/detail/230

In Kooperation mit:

Gefördert durch:

Entstanden im Rahmen des Projektes BioClime

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BioClime-Projekt: Nachhaltigkeit und Energieeffizienz in Sonderanlagen / Teilaspekt: Energetische Analyse – TageslichtProf. Dipl.-Ing. Katja Biek1; Nora Exner, M.Sc.1; Tino Brüllke, B.A.11 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Architektur und Gebäudetechnik

Kurzfassung

Die energetische Sanierung von Bestandsbauten muss sich, ebenso wie das bei Neubauten der Fall ist, an den energiepolitischen Zielen der Bundesregierung orientieren. Dies betrifft neben Arbeits- und Wohnräumen auch die Sanierung von Sondergebäuden mit zwei oder mehr Be-haglichkeitszonen. Dazu zählen Tier- und Freizeitanlagen, die fremde Lebensräume für Besucher naturalistisch nachbilden und erfahrbar machen. Die Nachbildung der verschiedenen Klimate im Gebäude stellt hohe Anforderungen an die Gebäudehülle und die Technik. Um diese Gebäude un-ter energieeffizienten Aspekten zu sanieren, zu betreiben und ggf. neu zu errichten, müssen die Bedürfnisse ihrer Nutzer und Betreiber sowie Anforderungen an die Behaglichkeit berücksichtigt werden. Die architektonischen Anforderungen sind den Nutzer-, Betreiber- und Technikaspekten gleichgestellt.

Abstract

The energetic refurbishment of specialized building types is just as much a part of the energy policy goals of the German Federal Government as the requirements for new building construc-tion. Aside from conventional housing and office buildings, this also applies to event buildings that try to provide a natural realistic reproduction of a foreign habitat. This category includes zoo buildings and large event halls with two thermal comfort zones. Simulating different climate zones within the same space places high demands on the building shell and technology. The renovation, operation and potentially rebuilding of this type of climate shell energy efficiently demands an exact understanding of the thermal comfort requirements of each building occu-pant and operator. The same emphasis is thereby placed on the architectural aspects as on the operative, technical and comfort requirements of the building.

EinleitungDie Aufgabe von Gebäuden und Technik ist die Bereitstellung eines behaglichen Klimas für Be-wohner und Benutzer, im speziellen Fall der Sondergebäude muss gleichzeitig ein nachhaltiger und effizienter Betrieb gewährleistet werden. Bei Gebäuden wie z. B. Tropenhallen kann das u. a. durch Nutzung passiver Effekte wie Tageslicht erfolgen. Das Tageslicht hat zusätzlich eine positive und leistungssteigernde Wirkung auf die Gebäudenutzer. Gemäß DIN EN 12464 gibt es Empfehlungswerte für den Menschen; diese sind z. B. für Museen und Ausstellungsräume 300 lux. Des Weiteren ist die spektrale Zusammensetzung des Lichts sowie direkte oder indirekte Sonneneinstrahlung von Bedeutung für die Behaglichkeit der Nutzer. Für die Fauna- und Flora-zonen, wie sie in Tropenhallen vorkommen, sind diese Werte nicht geregelt.

HauptteilEine besondere Herausforderung in der Gebäudeplanung und -sanierung stellt die Optimierung von Tageslichtnutzung und Wärmeschutz dar. Natürliches Licht wird im Innenraum nutzbar durch den Einsatz transparenter Flächen, die beste Dämmwirkung hingegen bieten opake Flächen. Im Forschungsprojekt BioClime werden im Rahmen der energetischen Analyse Vergleichsmessungen in Sondergebäuden durchgeführt, die den Lebensraum „Tropen“ nachbilden. Ergebnis ist, dass

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oftmals die Bedürfnisse der Bewohner und Nutzer aufgrund der Gebäudehülle nicht hinreichend befriedigt werden können. Hauptursache sind die Alterung der Baumaterialien und technische Installationen, die nicht mehr den aktuellen Nutzungsanforderungen entsprechen. Gebäude wer-den in der Regel für eine Lebensdauer von 50 bis 100 Jahren errichtet, die Technik hingegen hat nach VDI 2067 einen durchschnittlichen Lebenszyklus von ca. 15 bis 35 Jahren. Im Bereich der Sondergebäude – Tier- und Freizeitanlagen – ändern sich die Nutzeranforderungen in Zeiträumen von 5 bis 10 Jahren. Daraus ergeben sich Belastungen an die Bausubstanz und Gebäudetechnik, wenn die veränderte Nutzung stark von der ursprünglichen Auslegung abweicht.

1. Energetische Analyse

Am Beispiel eines Tropenhauses mit Tierbesatz aus den 1970er Jahren wird eine Methodik zur Untersuchung von energetischen Optimierungsmaßnahmen für Sondergebäude aufgezeigt. Nut-zungsbedingt gibt es in Zoogebäuden oft mindestens zwei Behaglichkeitszonen, da zum einen Tiere aus Ländern anderer Breitengrade das Gebäude bewohnen und zum anderen Besucher mit jeweilig jahreszeitlich angepasster Kleidung den Komplex zum Aufenthalt nutzen. Der Einfluss der Gebäudehülle auf das Raumklima ist besonders bei Gebäuden aus der genannten Bauepo-che groß. Die graphische Darstellung der Raumtemperaturmesswerte zeigt den Unterschied der Temperaturschichtung über die Gebäudehöhe zwischen einem bedeckten und einem sonnigen Tagesverlauf und somit deutlich den Einfluss solarer Gewinne auf das Gebäudeklima.

Abb. 1: Messwerte der Raumtemperatur in einem Tropenhaus und Höhenprofil (Quelle: BioClime (2013); eigene Darstellung)

Es werden Raumtemperaturen von 30 bis 40°C im Nutzerbereich „Tier“ (>6m) und im Besucher-bereich ebenso Temperaturen von über 30°C gemessen; keiner der beiden Bereiche entspricht den Behaglichkeitsanforderungen. Unter Berücksichtigung von licht- und strahlungstechnischen Wetterparametern können die solaren Gewinne über die transparenten Flächen (Glasdach) an-hand dieser Messreihen abgeschätzt werden. Die hohen Wärmegewinne in den Sommermona-ten stehen daher hohen Wärmeverlusten in den Wintermonaten (Heizperiode) gegenüber. Die Nachrechnung der Auslegungsheizlast nach DIN EN 12831 ergibt einen Bedarf von rund 170 kW (Normheizlast). Die Rückrechnung der Verbrauchswerte gemäß VDI 3807 Anhang D ergibt eine tatsächliche (Norm)Heizlast von rund 215 kW. Absolut werden rund 26 % mehr Heizenergie benö-tigt. Die großen transparenten Flächen in der Gebäudehülle stellen thermisch eine Schwachstelle dar, sind aber vor dem Hintergrund der Nutzung des Gebäudes als Tropenhaus mit hohem Pflan-zenbesatz essentiell wichtig für die Tageslichtnutzung. Mittels Beleuchtungsstärkemessungen und deren Simulation sind Untersuchungen des Einflusses der transparenten Materialeigenschaf-ten und Alterung für die gebäudespezifische energetische Bewertung möglich.

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Die Beleuchtungsstärke im Innenraum ist im Wesentlichen abhängig von der äußeren Verschat-tung, der Jahreszeit, dem Sonnenstand und den Wetterverhältnissen. Zum Messzeitpunkt war der Himmel durchgehend bewölkt. Somit dient das CIE overcast sky model (definiertes Himmels-modell der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE)) als Grundlage für die vergleichende Simulation. Verschmutzungsfaktor und Transmissionsgrad der Dachverglasung werden zunächst nach DIN EN 572-1 (Lichttransmissionsgrad doppellagiges Drahtornamentglas τ=0,64) und DIN V 18599 (Verschmutzungsgrad F=0,9) festgelegt.

Abb. 2: 3D-Gebäudemodell mit Analyseraster für Lichtsimulation (Quelle: BioClime (2014); eigene Darstellung)

Abb. 3: links: Messwerte; rechts: Simulationsergebnis IST-Zustand (F=0) (Quelle: BioClime (2014); eigene Darstellung)

Auf Basis der Messungen im realen baulichen Zustand des Gebäudes wird festgestellt, dass die Beleuchtungsstärke gegenüber der Simulation im Grundmodell rund 65 % niedriger ist. Der Abgleich der Messungen mit dem Idealmodell ohne Verschmutzung (F=1) ergibt einen real vorliegenden Verschmutzungsfaktor von F=0,3; d.h., der rechnerische Durchschnittswert der ermittelten Minderung beträgt 70 %. Eine Unterteilung des ermittelten Minderungsfaktors in altersbedingte Materialschwächung sowie verschmutzungsbedingte Verminderung der Lichttrans-mission ist auf Grundlage von Feldmessungen nicht möglich, da resultierende Effekte gemessen werden. Die optische Einschätzung der innen- und außenseitigen Verschmutzung der Dachvergla-sung bestätigt die Größenordnung des ermittelten Minderungsfaktors.

2. Energetische Sanierung

Aus den Ergebnissen der wärmetechnischen und lichttechnischen Untersuchungen werden im Forschungsprojekt BioClime Ansätze für eine energetische Sanierung abgeleitet. Eine mögli-che Variante ist der Austausch der transparenten Flächen. Neue Gläser, die den wärmetechni-schen Anforderungen der EnEV 2014 entsprechen, weisen einen U-Wert von 3,10 W/(m2*K) auf.

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URBANE TECHNOLOGIEN


Die Beurteilung der Optimierungsvariante beruht auf der Ermittlung des Energieeinsparpotenzials und der Erfüllung der Mindest-Beleuchtungsstärkeanforderungen, die durch Abgleich von Mes-sungen und Simulation im Referenzmodell abgebildet wurden.

Für die Beleuchtungsstärkesimulation der Sanierungsvariante wird zunächst ein Verschmutzungs-faktor nach DIN von 0,9 angenommen. Im Weiteren wird auch der Fall der starken Verschmutzung (F=0,3) betrachtet. Die Implementierung der Ergebnisse der Messreihen (Verschmutzungsfaktor F=0,3) in die Simulation in Abhängigkeit der realen „Standzeit“ ermöglicht die Nachbildung der langfristig zu erwartenden Lichtverhältnisse im Innenraum für die Durchführung der Optimie-rungsvariante.

3. Ergebnis

Durch den Austausch der Dachverglasung wird ein um ca. 25 % erhöhtes Beleuchtungsstärkeni-veau im Innenraum erreicht. Der Vergleich des Norm-Minderungsfaktors von F=0,9 (DIN V 18599) mit dem messtechnisch ermittelten Minderungsfaktor im betrachteten Gebäude zeigt, dass die spezielle Nutzung eines Gebäudes und die damit verbundenen Auswirkungen auf die trans-parenten Fassadenteile für licht- und wärmetechnische Berechnungen Berücksichtigung finden müssen. Andernfalls kann das Ergebnis eine falsche Größenordnung wiederspiegeln. Der realis-tisch für dieses Gebäude zu erwartende Beleuchtungsstärkewert beträgt deutlich weniger als die Hälfte des nach DIN errechneten Wertes.

ZusammenfassungIm Rahmen einer energetischen Bewertung ergeben lichttechnische Simulationen Ansätze zur Energieeinsparung. Erste Hochrechnungen zeigen eine mögliche Reduzierung der Heizenergie für diesen Gebäudetyp von 40 % durch Austausch der transparenten Fassadenteile. Einen wei-terführenden Ansatz stellt die Speicherfähigkeit der Materialien dar. Dies betrifft neben der Ge-bäudehülle auch die Einbauten und deren Oberflächenbeschaffenheit. Für die Nachbildung der tropischen Klimate kommt eine Vielzahl von Naturmaterialien wie Erde, Wasser und Pflanzen zum Einsatz. Diese können für Verschattungen, Feuchtigkeitsregulierungen und für Luftqualitätsopti-mierungen sorgen. So ergeben sich für Nutzung und Betrieb von Sondergebäuden Synergien für vergleichbare Areale.

Abb. 4: links: Simulation Variante (F=0,9); rechts: Simulation Variante (F=0,3) (Quelle: BioClime (2014); eigene Darstellung)

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Literatur[DIN EN 12381] DIN EN 12381. Heizungsanlagen in Gebäuden, Verfahren zur Berechnung der

Norm-Heizlast. Berlin: Beuth Verlag, 2003

[DIN EN 12464] DIN EN 12464. Licht und Beleuchtung – Beleuchtung von Arbeitsstätten. Berlin: Beuth Verlag, 2011

[DIN EN 572-1] DIN EN 572-1. Glas im Bauwesen – Basiserzeugnisse aus Kalk- Natronsilicatglas – Teil 1: Definition und allgemeine physikalische und mechanische Eigenschaf-ten. Berlin: Beuth Verlag, 2012

[DIN V 18599] DIN V 18599. Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Lüftung, Trinkwasser und Beleuch-tung. Berlin: Beuth Verlag, 2011-2012

[VDI 2067] VDI 2067. Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Grundlagen und Kostenberechnung. VDI Gesellschaft Bauen und Gebäudetechnik, 2012

[VDI 3807-1] VDI 3807-1. Verbrauchskennwerte für Gebäude – Grundlagen. VDI Gesellschaft Bauen und Technik, 2013


Abbildung 1: Messwerte der Raumtemperatur in einem Tropenhaus und Höhenprofil (Quelle: BioClime (2013))

Abbildung 2: 3D-Gebäudemodell mit Analyseraster für Lichtsimulation (Quelle: BioClime (2014))

Abbildung 3: links: Messwerte; rechts: Simulationsergebnis IST-Zustand (F=0) (Quelle: BioClime (2014))

Abbildung 4: links: Simulation Variante (F=0,9); rechts: Simulation Variante (F=0,3) (Quelle: BioClime (2014))



Telefon: (030) 4504-2535 E-Mail: [email protected] Internet: https://projekt.beuth-hochschule.de/ bioclime/

Gefördert durch:

In Kooperation mit:Entstanden im Rahmen des Projektes BioClime

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Steigerung von Effizienz und Agilität durch neue Technologien in der Entsorgungslogistik urbaner RäumeProf. Dr.-Ing. habil. Christian Butz1; Burcu Ergün1; Dr.-Ing. Claudia Nagel2

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Wirtschafts- und Gesellschaftswissenschaften2 KIWI.KI GmbH

Kurzfassung

Hauptaufgabe der Logistik ist es nicht mehr ausschließlich, Waren möglichst schnell und effizient vom Versender zum Empfänger zu transportieren, sondern darüber hinaus Informationsströme und Prozesse zu optimieren. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf dem Einsatz automatisierter Technologien. Der Nachweis des Beitrages neuer Informationstechnologien zur Effizienzsteige-rung von Prozessen oder zu einer höheren Agilität des Gesamtsystems konnte jedoch bisher nicht eindeutig quantifiziert und nachgewiesen werden.

Abstract

The main task of logistics is not only to transport goods quickly and efficiently from sender to recipient, but also to optimize information flows and processes. The focus hereby is on the use of automated technologies. Evidence of the contribution of new information technologies to improve efficiency of processes or to a higher agility of the entire system, however, has not yet been clearly demonstrated and quantified.

EinleitungLogistiksysteme müssen sich heute innerhalb kürzester Zeit flexibel an neue Nachfragesituatio-nen und Bedarfsschwankungen anpassen können. Bedingt durch diese neuen Aufgaben haben vor allem im Handel, der Konsumgüterindustrie und in der Distributionslogistik Identifikati-onsverfahren wie der Barcode und Prozessbeschleuniger wie automatisierte Lagertechnologien Einzug gehalten [Fin 08]. Eine besondere Stellung nimmt dabei zukünftig die Radio Frequency Identification (RFID) Technologie ein. Dabei besteht vor allem in Transportprozessen der Bedarf eine lückenlose Verfolgung der Waren und eine effiziente Versorgung von urbanen Räumen zu ermöglichen [IDT 05].

Chancen der RFID-TechnologieDie primären Ziele bei der Einführung von RFID in der Logistik sind die Automatisierung und Beschleunigung manueller Prozesse sowie die mögliche Realisierung von Kostensenkungspoten-zialen. Zusätzlich kann die lückenlose Verfolgung von Objekten und Personen den gestiegenen Sicherheitsanforderungen Rechnung tragen. Systeme zur Identifikation von Personen dienen z. B. in der Mehrzahl der Zutrittskontrolle zu Gebäuden oder Veranstaltungen. Bei aktuell ein-gesetzten Systemen spielen Themen wie Komfort und Zeit eine eher untergeordnete Rolle – es wird also nicht ausreichend betrachtet, wie durch eine intelligente Implementierung Zeit in der Ausführung von Logistikprozessen reduziert und damit Kosten gesenkt werden können.

Funktionsweise eines RFID-basierten ZugangssystemsDas Unternehmen KIWI.KI hat eine Lösung geschaffen, die RFID-Technik mit moderner Software kombiniert und so das Öffnen von Türen in Wohnhäusern ohne Schlüssel einfach und komforta-bel gestaltet. Das Grundprinzip: Ein tragbarer Transponder – genannt Ki – verbleibt in der Tasche des Trägers. Die Hauseingangstür erkennt diesen in einem Radius von 1 – 3 Metern und entrie-

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gelt das Schloss durch automatisches Aktivieren des Türsummers. Im Zentrum des Ansatzes steht dabei die Anonymisierung der Schlüsselnutzung, um auszuschließen, dass über das KIWI-System nachvollziehbar ist, wer wann eine Tür geöffnet hat.

Das schlüssellose Zugangssystem KIWI besteht aus vier Komponenten:■ RFID-Transponder (Produktname: „Ki“)■ Türsensor als Lesegerät inklusive Antenne■ Gateway■ Infrastruktur zur Verwaltung der Zutritte und Daten

Der Ki (s. Abb. 1) ersetzt den herkömmlichen Schlüssel – befindet er sich in Sensorreichweite, wird er für wenige Millisekunden aktiv und sendet eine Zufallszahl an den Türsensor. Er ist ledig-lich für den kryptografischen Handshake mit dem Türsensor zuständig.

Der Türsensor (s. Abb. 2) wird im Klingelpaneel der Haustür installiert und über die Klingelanlage mit Strom versorgt. Der Sensor empfängt die Signale eines autorisierten Ki und sendet wiederum eine Zufallszahl zurück. Beide Zufallszahlen werden vom Sensor mit dem eigenen Secret Key verschlüsselt. Über die KIWI Infrastruktur liegt auf dem Sensor eine Liste der zulässigen Ki vor. Dadurch ist es technisch nicht möglich, dass Dritte zurückverfolgen können, welcher Ki zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Tür geöffnet hat. Ist der Ki autorisiert, wird der Türöffner betätigt. Die Verbindung zur KIWI Infrastruktur wird mittels eines Gateways (s. Abb. 3) hergestellt. Über eine SIM-Karte erhält es regelmäßig die Ki-Listen und stellt diese den Türsensoren per 868 MHz Funkschnittstelle verschlüsselt zur Verfügung. Über eine Webplattform können Berechtigungen an Türen vergeben werden – so kann beispielsweise die Hausverwaltung Entsorgern zu deren üblichen Arbeitszeiten Zugang gewähren oder entziehen.

Integration des Systems in bestehende Logistikprozesse am Beispiel eines EntsorgungsunternehmensEntsorgungsunternehmen haben in vielen größeren Städten Schlüssel zu allen Häusern, da sie die Müllbehälter selbst aus den Höfen holen. Die Schlüsselverwaltung stellt dabei eine große Herausforderung dar. In Berlin ist bei Entsorgungsunternehmen bei jeder Tour ein Mitarbeiter auf dem Wagen, der im Wesentlichen für das Türöffnen zuständig ist. Je routinierter dieser ist und je besser er seinen Schlüsselbund und seine Häuser kennt, desto schneller verläuft die Tour. Zudem ist die Verwaltung der Schlüssel sehr aufwändig. Deshalb berechnen einige kommunale Entsorger ein jährliches Schließentgelt in Höhe von 55,20 EUR je Schlüssel. Alternativ können Schlüsseltresore installiert werden, zu denen Entsorger Generalschlüssel besitzen, so z. B. für die BSR in Berlin. Das Öffnen der Tresore ist jedoch ebenfalls aufwendig: Öffnen, Schlüssel heraus-nehmen, Tür öffnen, Schlüssel zurücklegen, Tresor verschließen.

Abb. 1: Transponder Ki Abb. 2: Türsensor Abb. 3: Gateway

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Methoden zur Bewertung der Effizienz neuer Informationstechnologien Obwohl die IT-Strategie ein elementarer Bestandteil der Unternehmensstrategie ist, konnte der quantitative Nachweis des Beitrages neuer Informationstechnologien wie RFID zur Steigerung der Effizienz von Prozessen oder zu einer höheren Agilität des Gesamtsystems bisher jedoch nicht eindeutig erbracht werden – weder in reduzierten Prozesszeiten noch in nachweisbaren Kosten [But 14].

Für diese Bewertung können verschiedene Verfahren herangezogen werden. Der Einsatz von Portfolio-Techniken ermöglicht einen ganzheitlichen Ansatz zur Bewertung des Nutzens und des Wertbeitrages der IT. Es ist eine strategische Methode zur Identifikation von Faktoren und deren Einflüssen. Der potenzielle Wertbeitrag von IT und die wechselseitigen Abhängigkeiten müssen dabei strukturiert analysiert werden, da es zu Verzerrungen der Wirkungen kommen kann.

Die dynamische Investitionsrechnung berücksichtigt hingegen Zeitunterschiede und den kalkula-torischen Zinssatz. Dies ermöglicht eine genauere Betrachtung der anfallenden Kosten und kann in Kombination mit einer anderen Methode ein geeignetes Verfahren zur Bewertung von IT-Inves-titionen sein. Die Nutzwertanalyse berücksichtigt bei der Auswahl komplexer Investitionsalterna-tiven qualitative und quantitative Größen innerhalb eines Entscheidungsprozesses. Daher ist sie ein gängiges und beliebtes Verfahren zur Beurteilung von IT-Investitionen. Ein wesentlicher Kritik-punkt an dieser Methode ist, dass die Auswahl von Schätzungen und subjektiven Komponenten geprägt ist. Daher ist eine analytische und genaue Auswahl der Kriterien und deren Bewertung notwendig, um eine Verzerrung der Ergebnisse zu vermeiden. Das Monetisierungsverfahren ist in der Umsetzung komplex und erfolgt anhand einer Betrachtung von durchschnittlichen Personal-kosten. Als Kritikpunkt ist die Tatsache zu nennen, dass dieser Ansatz die tatsächliche Nutzung der eingesparten Zeit unberücksichtigt lässt. Die Kausalitäten zwischen Ursachen und Wirkungen werden im wirkungskettenorientierten Verfahren erfasst. Diese Methode berücksichtigt komplexe Wirkungszusammenhänge und verdeutlicht den monetären Nutzen. Das Erfassen der Wirkungen ist geordnet und nachvollziehbar. Die Herausforderung dieser Methode ergibt sich letztlich in der Monetarisierung des Nutzens [Bre 13]. Die vorhandenen Lösungsansätze zur Bestimmung des Werts der eingesetzten IT sind isoliert betrachtet wenig zufriedenstellend, da sie sich meist auf nur einen Parameter beschränken und eine übergreifende Sicht der wesentlichen Faktoren außer Acht lassen (s. Abb. 4).

Abb. 4: Stärken und Schwächen ausgewählter Bewertungsmethoden

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Effizienzsteigerungen in der Entsorgungslogistik durch ein multikriteriel-les BewertungsverfahrenAbhilfe kann ein multikriterielles Verfahren schaffen, dass eine ganzheitliche Einbeziehung von Kausalitäten und Effekten auf Folgewirkungen ermöglicht. Als Basis für die Bewertung des Nut-zens der RFID-Technologie sind zunächst folgende Aspekte erfolgskritisch:

■ Analyse und Bewertung der Eignung der technischen Lösung für den Logistikprozess■ Entwicklung eines Prozessmodells für den Anwendungsbereich zur Visualisierung der

Arbeitsschritte und Engpässe■ Auswahl einer Methode zur Identifikation der Potenziale und zum quantifizierbaren

Nachweis der Wirtschaftlichkeit und Effizienz hinsichtlich Zeiten und Kosten■ Schrittweiser Einführungsprozess, der eine frühe Erfolgsmessung bei gleichzeitiger

kontinuierlicher Prozessadjustierung bietet■ Qualitative Erstabschätzung der Nutzenkategorien und -effekte

In der praktischen Umsetzung muss daher die Identifikation der relevanten Faktoren wie Sicher-stellung der Informationssicherheit, Reduktion der Prozesszeit oder Erhöhung der Auslastung durch eine flexiblere Routenplanung, innerhalb ausgewählter Bereiche (Umwelt, Prozess, Ma-nagement, Technologie, Menschen) erfolgen. Diese Faktoren können von Projekt zu Projekt und von Unternehmen zu Unternehmen unterschiedlich ausgeprägt sein und müssen daher individu-ell modifiziert und bewertet werden (s. Abb. 5).

Abb. 5: Multikriterielles Modell

Die anschließende, individuelle Gewichtung der Bereiche orientiert sich dabei an den strategi-schen Zielen des jeweiligen Projekts bzw. Unternehmens. Für die abschließende Bewertung der Effizienz müssen im jeweiligen Bereich der jeweilige Reifegrad der einzelnen Kriterien im betrach-teten Unternehmen ermittelt und ausgewählte Kennzahlen festgelegt werden, um die Effizienz letztlich quantifizieren zu können.

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Erkenntnisse in der PraxisWesentliche Herausforderung für die Realisierung einer Prozessoptimierung ist zunächst die er-folgreiche Integration der neuen Zugangstechnologie in den bestehenden Logistikprozess. Hier-bei wurden insbesondere folgende Erfolgskriterien identifiziert:

■ eine positive Potentialbewertung hinsichtlich Zeit und Kosten, ■ eine einfache Umsetzung und ■ die methodische einwandfreie Erfolgsmessung der Integration.

Durch die Installation des kontaktlosen elektronischen Zugangssystems des Unternehmens KIWI.KI auf einer Route des Entsorgungsunternehmens ALBA mit insgesamt mehr als 100 Ladestellen in Berlin und die Identifikation der relevanten Kennzahlen konnten folgende Effizienzsteigerun-gen erzielt werden:

■ Kürzere Entsorgungszeit je Verladestelle, da die Zeit für Schlüsselsuchen und Auf-schließen der Haustür entfällt

■ Höhere Sicherheit, da der Zugang zu Entsorgungszwecken nur temporär möglich ist, außerhalb dieser Zeiten der elektronische Schlüssel jedoch gesperrt ist

■ Wegfall des Schlüsselmanagements für diese Tour, da sämtliche physische Schlüssel durch einen einzigen elektronischen Schlüssel ersetzt werden

■ Flexible Routenanpassung und somit Erhöhung der Fahrzeug-Auslastung bei gleichzei-tiger Absenkung der verkehrlichen Belastung im urbanen Raum

Aufgrund dieser Erkenntnisse kann die neue Technologie zukünftig auf weitere logistische Anwen-dungsfälle übertragen und deren Nutzen schnell bewertet werden. Naheliegende Anwendungs-fälle sind hierbei die Nutzung des Zugangssystems durch weitere Dienstleister, wie Post- oder Paketzusteller, das Gebäudemanagement oder Lieferdienste sowie die Auswirkungen auf die Notfalllogistik am Beispiel der Feuerwehr. Letztlich kann in allen genannten Beispielen die Re-duzierung der gefahrenen Strecken und Zeiten zur einer wesentlichen Entlastung der knappen Infrastruktur beitragen und die Belastung des urbanen Raumes mit Emissionen wie Abgasen oder Lärm vermindert werden.

ZusammenfassungNeue Technologien wie RFID können einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Verkehrs-situation – und damit der Umweltbelastung – in urbanen Räumen beitragen. Darüber hinaus können sie auch die Effizienz der Prozesse verbessern und damit zur Wirtschaftlichkeit des Unternehmens beitragen. Die gewonnenen Erkenntnisse unterstreichen die Notwendigkeit einer strukturierten Messung des Wertbeitrages der IT. Insbesondere für eine anwendungsorientierte Umsetzung ist die Identifikation der relevanten Kennzahlen und damit die Messbarkeit der un-ternehmensstrategischen Ziele von besonderer Bedeutung.

Literatur[But 14] Butz, C., Nagel, C. (2014): Steigerung von Effizienz und Agilität in Logistikprozessen

durch neue Technologien am Beispiel von berührungslosen Zugangssystemen, in: Sichere und nachhaltige Logistik, Tagungsband, Magdeburg

[Bre 13] Brenner, W., Pilgrim, U., Zarnekow, R., (2013): Integriertes Informationsmanagement – Strategisches IT-Management, Berlin, S. 64

[Fin 08] Finkenzeller, K. (2008): RFID-Handbuch: Grundlagen und praktische Anwendungen von Transpondern, kontaktlosen Chipkarten und NFC, S. 1

[IDT 05] www.idtechex/research (2005)

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Abbildung 1: Transponder Ki

Abbildung 2: Türsensor

Abbildung 3: Gateway

Abbildung 4: Stärken und Schwächen ausgewählter Bewertungsmethoden

Abbildung 5: Multikriterielles Modell

KontaktProf. Dr.-Ing. habil. Christian Butz

Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich I / Wirtschafts- und Gesellschaftswissenschaften Luxemburger Straße 10, 13353 Berlin

Telefon: (030) 4504-5527 E-Mail: [email protected] Internet: http://prof.beuth-hochschule.de/butz/

Dr.-Ing. Claudia Nagel

KIWI.KI GmbH Lehrter Straße 17, 10557 Berlin

E-Mail: [email protected] Internet: www.kiwi.ki

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HeatMap – Visualisierung von Heizenergieverschwendungen in öffentlichen Gebäuden durch eine HeatMapUntersuchungsbereich: Beuth Hochschule für Technik BerlinProf. Dr. rer. nat. Dipl.-Ing. Mathias Fraaß1*; Prof. Dr.-Ing. habil. Birgit Müller2; Prof. Dr.-Ing. Joachim Rauchfuss1; Maxim Geier, M. Eng.2, Dipl.-Ing. Narcisse Djakam1; Peter Rothmeier3; Jens Freinatis4

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin

2 Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin 3 inhouse engineering GmbH 4 Deos Control Systems GmbH, Rheine, Niederlassung Berlin * Korrespondenzautor

Kurzfassung

Im Projekt HeatMap werden Heizenergieverschwendungen im Gebäude aufgrund von Überhitzun-gen der Räume in Bezug auf den Faktor „Nutzerverhalten“ untersucht. Durch das Aufzeigen der Energieverschwendung werden die Nutzer motiviert, umweltbewusst mit der Energie umzugehen. Der Verbrauch und die ermittelte Verschwendung werden in webfähigen farbigen Grundrissen dargestellt. Die HeatMap soll zum Bestandteil eines EMS nach ISO 50001 werden.

Abstract

In the HeatMap project, heating energy wastes in buildings due to overheating of the rooms are examined in terms of “user behavior”. Identifying the waste of energy shall motivate users to deal with energy environmentally consciously. The consumption and waste identified are presented in web-enabled colored floor plans. The HeatMap should become part of an EMS according to ISO 50001.

EinleitungIm Forschungsvorhaben werden vergleichende Untersuchungen zur Heizenergieverschwendung in den Räumen der beiden beteiligten Fachhochschulen, Hochschule für Technik Berlin und Beuth Hochschule für Technik Berlin, durchgeführt und Strategien zum Abbau der Verschwendungen unter Einbeziehung der Nutzer entwickelt und erprobt. Dabei steht besonders die Überhitzung der Räume im Blickpunkt.

Dass in öffentlichen Gebäuden hohe Einsparungen im Heizenergieverbrauch möglich sind, zeigen die sog. Performance Contractings, auch Energiesparpartnerschaften genannt. In der Beuth Hoch-schule sind bei einem Contracting, das in diesem Jahr ausläuft, Heizenergieeinsparungen von 33 % erzielt worden. Nach Abschluss der Energiesparpartnerschaft wirkt nur der Teil der Einspar-maßnahmen fort, der durch dauerhafte Eingriffe in die Anlagen erzielt wurde, nicht jedoch die regelmäßigen Kontrollen und Anpassungen durch das Personal des Energiedienstleisters. Auto-matisierungssysteme, die bis in die einzelnen Räume hineinreichen (busgestützte elektronische Einzelraumregelung) können diese Lücke schließen, sind aber mit Kosten zwischen 400 € und 500 € je Raum derzeit noch zu teuer, um flächendeckend eingesetzt zu werden. Umso dringender wird es, einen weiteren Energiesparpartner einzubeziehen: die Nutzer. Nicht als Alternative zu ei-ner ordnungsgemäßen Anlageneinstellung und -regelung und zu einem regelmäßigen Monitoring durch Fachleute, sondern als dritte tragende Säule der Energieeinsparung in der Raumbeheizung neben der Regelung und dem Monitoring.

Auch für das Gebäude- und Energiemanagement liefert die HeatMap nützliche Informatio nen. Man erkennt, in welchen Bereichen des Gebäudes ein besonderer Handlungsbedarf besteht und sich Investitionen in einen höheren Automatisierungsgrad lohnen. Auch mangelnde Anlagenein-stellungen lassen sich mit der HeatMap aufdecken.

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In übergeordneten Heatmaps lassen sich solche Analysen auf ganze Liegenschaften ausdehnen, z. B. auf alle öffentlichen Gebäude in der Verwaltung eines Stadtbezirks. Auch für solche über-geordneten HeatMaps liefert die gebäudeweite HeatMap nützliche Transferdaten. Wenn weiter auch die Nutzer einbezogen bleiben, werden die HeatMaps zu einem Forum, in dem Nutzer und Fachleute zusammenkommen.

Das Forschungsvorhaben HeatMap soll folgende Fragen klären:■ Wie lässt sich eine HeatMap praktikabel realisieren und dauerhaft etablieren,

welcher organisatorische Überbau ist dazu notwendig?■ Welche Ausprägungen soll die HeatMap haben, welche Informationen soll sie den

Nutzern liefern und wie lässt sie sich mit den Verbrauchsdaten korrelieren? ■ Welche ergänzenden Informationen sind neben der Visualisierung notwendig?

Welche Interaktionen mit den Nutzern sind sinnvoll? ■ Wie kann die HeatMap das Energie- und Gebäudemanagement unterstützen, wie

lassen sich aus der HeatMap sinnvolle ergänzende Maßnahmen und Schwerpunkt-investitionen ableiten?

■ Wie lässt sich die gebäudeinterne HeatMap auf eine stadtweite HeatMap abbilden? Welcher Handlungsrahmen eröffnet sich daraus im urbanen Bereich?

Projektbeschreibung – Beuth Hochschule für Technik BerlinApparatur, Durchführung der Messung und Ergebnisse

Erste Heizperiode

An der Beuth Hochschule für Technik in Berlin wurde ein HeatMap-Team gebildet, das sich um die regelmäßigen ambulanten Messungen und Beobachtungen kümmert.

Zuerst wurden die drei Untersuchungsbereiche festgelegt. Es wurden für die ambulanten Mes-sungen unterschiedliche Messgeräte auf ihre Genauigkeit und Reaktionszeit getestet. Mithilfe von neu kalibrierten KTY 84 – 130 Widerstandthermometern aus dem Labor für Mess- und Re-gelungstechnik, welche schnell auf Temperaturänderungen reagieren und ausreichend genaue Messwerte liefern, wurden die Räumlichkeiten der Untersuchungsbereiche ein- bis zweimal pro Woche ausgemessen. Anschließend übertrug man die Messwerte in eine Access-Datenbank, in der die Raumtemperaturen, Außentemperaturen, die genaue Messstelle, der Sensor und der Messzeitpunkt festgehalten wurden.

Die Struktur der Datenaufnahmen und die Wahl der erforderlichen Daten für die Untersuchung wurde festgelegt. Eine auf Excel, Visio und Access Datenbank basierte Plattform für die Protokol-lierung der Daten wurde aufgebaut.

Die Einbeziehung der Nutzer erfolgte durch die Informationen über das Projekt während der am-bulanten Messungen. Die interaktive Web-Plattform stand noch in Planung. Um möglichst aus-gedehnte Untersuchungsbereiche abdecken zu können und einen repräsentativen Datenfundus zu erhalten war eine Automatisierung der Messeinrichtungen unabdingbar. Um dieses Ziel für die zweite Heizperiode zu erreichen, wurde parallel mit der Entwicklung und Implementierung einer automatisierten Plattform begonnen.

Zweite Heizperiode

Auf den Fluren im Gebäude Bauwesen der Beuth Hochschule für Technik werden Zugangspunkte für ein Funkband von 868 Mhz gebaut. Von dort aus werden die Daten durch Begehung bzw. ent-lang laufen des Flures gesammelt und auf dem Server übertragen. Der drahtlose Sensorknoten (Bluetooth-LE oder 868 MHz) sendet sein Datentelegramm an ein Anwendergerät (Smartphone/Tablet/Netbook). Auf dem Anwendergerät läuft eine Software, die das Datentelegramm empfängt und via WLAN auf einen Internet-Server überträgt. Dort werden diese Daten in einer Datenbank

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URBANE TECHNOLOGIEN


(myWSQL) abgespeichert und sind bei Bedarf über den parallel laufenden Webserver als Tabelle, Kurven und/oder HeatMaps einsehbar.

Abb. 2: a) Sensoren und Gebäude kommunizieren mit einer Basisstation / b) Exemplarische Implementierung der Sensorik im Knopfzellenformat (Durchmesser ca. 50 mm)

a) b)

Abb. 1: Funktionsblöcke des Prototypen-Setups

Neben der Visualisierung der HeatMap auf einem stationären Rechner, ggf. mit speziellen Pro-grammen (wie z. B. Microsoft Visio), wurde ein System entwickelt mit dem die Arbeitsergebnisse auch online einsehbar sind. Die Plattformunabhängigkeit des Systems mit einer integrativen, ein fachen und erweiterbaren Architektur wurde als kritische Anforderung gestellt. Dabei sollte auch die bereits vorhandene und nebenläufig weiterentwickelte Methode berücksichtigt und benutzt werden.

Die Visualisierung wurde mit Hilfe von Java (hier in der Enterprise Edition) realisiert. Als eigentli-cher WebServer (bzw. WebContainer) kam der Tomat-Server von Apache zum Einsatz.

Aufgrund der fortbestehenden Arbeit mit Visio und der Möglichkeit die zu visualisierenden Räu-me maßstabsgetreu zu vermessen, bleiben die Rauminformationen in der Datenbank gespei-chert. Um die Räume mit verschiedenen Informationen wieder auf einer Webseite anzeigen zu können, werden die Grundrisse auf Basis der vorhandenen Datensätze zur Laufzeit generiert. Mit diesem Vorgehen wird die Web-Applikation hoch flexibel und muss für neue Untersuchungsberei-che nicht angepasst werden. Es reicht der Austausch der Datenbank (bzw. das Hinzufügen neuer Datensätze). Die generierten Raumpläne werden mit Hilfe des Frameworks Batik SVG Toolkit als SVG-Datei (Scalable Vector Graphics) dargestellt. Eine breite Unterstützung der Browser ist gewährleistet.

In dieser Arbeit wird zunächst mit der Microsoft Access Datenbank gearbeitet, zu einem späteren Zeitpunkt kann ein Wechsel – ohne großen Aufwand – in Betracht gezogen werden.

Für die Oberfläche wird das Framework Vaadin benutzt.

Dieses abstrahiert viele Mechanismen für die Web-Entwicklung auf Java-Ebene. Durch vorgefer-tigte Komponenten (Klassen) können Oberflächen in wenigen Arbeitsschritten zusammengestellt und angezeigt werden. Mit diesem Mechanismus war es möglich, die Raumpläne interaktiv zu gestalten und neben der Farbgebung auch komplexere Graphen darzustellen.

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Die Architektur des Servers wurde in drei Schichten unterteilt. Die Oberflächenschicht regelt die anzeigenden Elemente und reagiert auf Nutzereingaben mit dem Aufruf geeigneter Methoden. Hier wird größtenteils mit Vaadin gearbeitet. Eine Geschäftslogikschicht bereitet die Daten aus der technischen Schicht so auf, dass sie in der Präsentationsschicht angezeigt werden können. Hier findet z. B. die Berechnung der Energieverschwendung der einzelnen Räume und der dazu-gehörigen Farbgebung statt. Die technische Schicht regelt unter anderem den Datenzugriff, ist aber auch für die Erstellung der SVG-Dateien zuständig. Hier wird überwiegend mit Hibernate gearbeitet.

Nachdem über die Heizperiode hinweg mehr als 5500 Messungen stattgefunden haben, konnte mit der Auswertung begonnen werden. Die relative Energieverschwendung wurde angelehnt an DIN 18599 durch ein Verhältnis der Überheizung der Räume und der Außentemperatur berechnet:

Für Büros und Seminarräume wurde ein Auslegungswert von 20°C angenommen, für WC’s 15°C. Damit konnten über die gesamte Heizperiode Häufigkeitsverteilungen der relativen Heizener-gieverschwendung erstellt werden, sowohl für einzelne Räume, als auch für gesamte Gebäude.

Die Energieverschwendung ist in den drei Gebäuden entgegen den Erwartungen relativ gering ausgefallen mit Hochpunkten bei ca. 10 % relativer Energieverschwendung. Da im Haus Beuth die Fenster alle sehr zugig sind und es in den Laboren zum großen Teil Abluft-Anlagen, aber keine Zuluft-Anlagen gibt, geschieht hier der Eintrag von Zuluft über die undichten Fenster. Dadurch senkt sich natürlich die Raumtemperatur bzw. erhöht sich die zu erbringende Heizleistung. Durch die so verringerte Raumtemperatur, fällt auch die relative Energieverschwendung geringer aus. Zu beachten ist außerdem, dass es zum Teil innere Wärmequellen gibt, wie Studierendengrup-pen, Computer, Zentrifugen, die zum Teil Tag und Nacht laufen und Ähnliches mehr. Hier haben die Nutzer in den meisten Fällen keinerlei Möglichkeiten, die Heizungen zu regulieren.

Zusammenfassung und SchlussfolgerungenDie ersten Ergebnisse zeigen uns, dass die HeatMaps ein großes Potential haben, zum Be-standteil eines Energiemanagementsystems nach ISO 50001 zu werden. Die bis jetzt gewählte Methode der Untersuchung, sowie die Struktur der Datensammlung und –auswertung werden an diese Norm angepasst, um einen deutlichen Rückgang der Heizenergieverschwendung zu erreichen. Mit ihrer integrativen Betrachtung der Nutzer, sowie ihrer innovativen Auswertung des Energieverbrauchs bzw. der Energieeffizienz haben sich die HeatMaps als zentrales Werkzeug

Abb. 3: a) Umsetzungsdetails der HeatMap-Plattform im Internet / b) Online Visualisierung einer HeatMap

a) b)

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eines Energiemanagementsystems herauskristallisiert. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens erprobten organisatorischen Maßnahmen werden als Instrument für die Zertifizierung der beiden Hochschulen genutzt.

Die Resonanz der HeatMaps seitens der Nutzer ist positiver als erwartet. Viele haben die Mög-lichkeit erkannt, sich aktiv an dem Prozess der Energieeinsparung und Umweltschonung zu beteiligen. Die Frage des Schutzes der Privatsphäre bleibt jedoch ein kritischer Punkt. Es ist notwendig, dass private Informationen wie Anwesenheit, sowie Arbeitszeiten der Mitarbeiter nicht nachvollziehbar werden. Die HeatMaps sollen nur der Energieoptimierung dienen. In der neuen Heizperiode werden in ausgewählten Räumen die tatsächliche Heizleistung, mit Vor- und Rücklauftemperatur erfasst. Diese Informationen werden für die Plausibilitätsprüfung genutzt. Diese Maßnahme ermöglicht es uns, den Einfluss von Energiequellen, wie z. B. der Sonne oder den Geräten zu berücksichtigen. Ferner werden an der Beuth Hochschule für Technik weitere Untersuchungsbereiche aufgenommen, um noch differenziertere Ergebnisse zu erhalten.

Literaturverzeichnis[1] DIN EN ISO 7730:2006-05, Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen

Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit: www.beuth.de/de/norm/din-en-iso-7730/89417255

[2] DIN EN ISO 50001:2011-12, Energiemanagementsysteme – Anforderungen mit Anleitung zur Anwendung (ISO 50001:2011). www.beuth.de/de/norm/din-en-iso-50001/147191205

[3] Prof. Dr. rer. nat. Mathias Fraaß, HeatMap: Visualizing Waste of Heating Energy, SEMANCO (Semantic Tools for Carbon reduction in urban planning) – Workshop in Barcelona (Analys-ing and Visualising energy related data in our buildings, towns and cities), 11-12 April 2013. http://semanco-visualization-workshop.blogspot.com.es/p/multiple-representations_11.html


Abbildung 1: Funktionsblöcke des Prototypen-Setups

Abbildung 2: a) Sensoren und Gebäude kommunizieren mit einer Basisstation b) Exemplarische Implementierung der Sensorik im Knopfzellenformat (Durchmesser ca. 50 mm)

Abbildung 3: a) Umsetzungsdetails der HeatMap-Plattform im Internet b) Online Visualisierung einer HeatMap

KontaktProf. Dr. rer. nat. Mathias Fraaß


Telefon: (030) 4504-2533 E-Mail: [email protected] Internet: www.ifaf-berlin.de/projekte/heatmap

Gefördert durch:

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HeatMap – Visualisierung von Heizenergieverschwendungen in öffentlichen Gebäuden durch eine HeatMapUntersuchungsbereich: Hochschule für Technik und Wirtschaft BerlinProf. Dr. rer. nat. Dipl.-Ing. Mathias Fraaß1; Prof. Dr.-Ing. habil. Birgit Müller2; Prof. Dr.-Ing. Olaf Zeidler; Prof. Dr.-Ing. Joachim Rauchfuß1; Maxim Geier, M. Eng.2*; Dipl.-Ing. Narcisse Djakam1; Peter Rothmeier3; Jens Freinatis4


2 Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin 3 inhouse engineering GmbH 4 Deos Control Systems GmbH, Rheine, Niederlassung Berlin * Korrespondenzautor

Kurzfassung

Im Forschungsprojekt HeatMap werden Heizenergieverschwendungen durch Überhitzungen der Räume untersucht. Durch das Aufzeigen der Energieverschwendung sollen die Nutzer motiviert werden, sparsam und umweltbewusst mit der Energie umzugehen. Der Energieverbrauch und die ermittelte Energieverschwendung werden in webfähigen farbigen Grundrissen, sog. HeatMaps visuell dargestellt. Das Forschungsvorhaben HeatMap soll Antworten auf die Fragen geben, wie das Nutzerverhalten in den Energieverbrauch eingeht und wie es sich verbessern lässt.

Abstract

The research project HeatMap analyzes the wastes of heating energy generated by overheating the indoor environment. By identifying the Waste of energy the user should be motivated to deal in a more efficient and environmental friendly way with the energy.

The energy consumption and the determined energy waste are shown in a graphic illustration with web-enabled colored floor plans, the so-called “Heatmaps”. The research project HeatMap tries to provide answers to the questions of how the user behavior influences the energy con-sumption and how it could be improved.

EinleitungIm Rahmen des Forschungsvorhabens HeatMap wurden sowohl an der Beuth Hochschule für Technik als auch an der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW Berlin) Untersuchungsbe-reiche eingerichtet. Über zwei Heizperioden hinweg werden die eingerichteten Untersuchungsbe-reiche messtechnisch untersucht. Die Messdaten werden in Form von HeatMaps visualisiert und dem Nutzer zur Verfügung gestellt. So bekommt jeder Nutzer einen Überblick über sein Heizprofil und den daraus resultierenden Energieverbrauch.

Projektstand HTW Berlin

Im Folgenden wird der Projektstand der HTW Berlin dargestellt. Der für die Untersuchungen ausgewählte Bereich an der HTW Berlin befindet sich auf dem Campus Wilhelminenhof. Es han-delt sich um das „C-Gebäude“ in welchem die 3. Etage mit der Messtechnik ausgerüstet wurde. Insgesamt werden 42 Räume messtechnisch untersucht.

Der Untersuchungsbereich besteht aus: 13 Seminarräumen, 11 Einzelbüros, 15 Gruppenbüros (2-3 Personen), 2 Besprechungsräumen und 1 Druckerraum.

Die Erfassung von Messdaten geht über zwei Heizperioden (2013/14 und 2014/15). In der ersten Heizperiode wurden nur Raumtemperaturen gemessen. Dazu wurden Datenlogger von „Testo“ verwendet. Zwischen der ersten und zweiten Heizperiode erfolgte der Einbau stationärer Senso-ren im gesamten Untersuchungsbereich.

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Zum Beginn der zweiten Heizperiode wurde die Installation von Sensoren fertiggestellt. In jedem der 42 Räume wird gegenwärtig Temperatur und Fensterstellung erfasst. In vier ausgewählten Räumen wird zusätzlich die CO

2-Konzentration in ppm sowie VOC in % gemessen. Zwei Räume

verfügen an den Heizkörpern über Vor- und Rücklauftemperatursensoren. Der Einbau der Wärme-mengenzähler erfolgte erst mitten in der zweiten Heizperiode. Zur Ermittlung des Wärmeenergie-verbrauchs wurden insgesamt 15 Wärmemengenzähler eingebaut.

Sämtliche Sensoren außer den Wärmemengenzählern wurden von der DEOS AG und die erfor-derlichen Leitungen zur Verkabelung der Geräte von der Firma inhouse engineering GmbH zur Verfügung gestellt. Die Installation der Sensoren, die Programmierung der I/O-Module sowie die Inbetriebnahme erfolgte durch die Projektmitarbeiter der HTW Berlin.

Ergebnisse Heizperiode 2013/14

Durch die Messung der Raumtemperatur wurden wichtige Erkenntnisse gewonnen. Es wurde festgestellt, dass die Raumtemperatur in Seminar- und Büroräumen überwiegend im Bereich zwi-schen 21 °C und 24 °C liegt. Gemäß der Behaglichkeitsanforderungen nach DIN EN ISO 7730 in der Kategorie B liegt die optimale operative Temperatur in der Heizperiode zwischen 20,0 °C und 24 °C [1]. In Abbildung 1 ist der Temperaturverlauf in einem Büro im Dezember 2013 dargestellt. Es ist zu sehen, dass der Temperaturverlauf bis zu Beginn der Feiertage im Mittel bei 22 °C liegt.

Abb. 1: Temperaturverlauf in einem Büro vom 02.12.2013 bis 28.12.2013

Andere Büros weisen einen ähnlichen Temperaturverlauf auf. Am letzten Arbeitstag vor den Feier-tagen wurden die Heizkörper auf Frostschutz gestellt. Über die Feiertage hinweg kühlt der Raum ab. Die mittlere Temperatur liegt dabei bei 18,5 °C.

Zwischenstand Heizperiode 2014/15

Die Datenerfassung in der Heizperiode 2014/2015 brachte weitere Erkenntnisse zum Lüftungsver-halten der Nutzer. In Abbildung 2 ist das Lüftungsverhalten in einem Büroraum zu sehen.

Abb. 2: Lüftungsverhalten in einem Büroraum

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Die Raumtemperatur liegt zwischen 23 °C und 25 °C. Die Außentemperatur hat nur geringfügige Schwankungen und liegt im Bereich von 10 °C. Anhand der Fensterstellung ist zu erkennen, dass Fenster immer dann geöffnet werden, wenn die Raumtemperatur nahe 25 °C liegt. Es wird so lange gelüftet bis die Raumtemperatur auf ungefähr 23 °C abgesunken ist. In Abbildung 3 ist zusätzlich der CO

2-Verlauf im Raum dargestellt.

Abb. 3: Lüftungsverhalten in einem Büroraum (CO

2-Konzentration)

Es ist zu sehen, dass beim ersten Öffnen der Fenster die CO2-Konzentration über 1000 ppm liegt.

Hier liegt die Vermutung nahe, dass vorrangig wegen der schlechten Luftqualität gelüftet wurde. Die nächsten Lüftungsintervalle sind mit der schlechten Luftqualität nicht zu begründen, da die CO

2-Konzentration zwischen 500 ppm und 700 ppm liegt. In dem Fall wurde wahrscheinlich

wegen der hohen Raumtemperatur gelüftet, da die Fenster immer dann geöffnet wurden als die Raumtemperatur ungefähr bei 25 °C lag.

Zum Vergleich ist in Abbildung 4 das Lüftungsverhalten in einem Seminarraum zu sehen.

Abb. 4: Lüftungsverhalten in einem Seminarraum

Es handelt sich um den gleichen Zeitabschnitt wie in Abbildung 3. Die Raumtemperatur im Se-minarraum liegt überwiegend im Bereich von 23 °C. Die Fenster sind deutlich länger geöffnet als im Beispiel zuvor. In dem Fall bleiben die Fenster sogar nachts geöffnet. Die CO

2-konzentration

wird in dem Raum leider nicht gemessen.

ZusammenfassungAnhand der Messdaten ist zu erkennen welches Lüftungsverhalten in Seminar- und Büroräumen herrscht. In Büros wird die Raumtemperatur, anstatt mit dem Thermostattventil am Heizkörper häufig mit Fenstern geregelt. Vor jedem Öffnen der Fenster ist ein Anstieg der Raumtempera-tur bis auf 25 °C zu erkennen. In Seminarräumen sind die Fenster aufgrund höherer Belegung

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häufiger geöffnet. Auffällig ist, dass die Fenster beim Verlassen der Seminarräume nicht immer geschlossen werden. So wird auch nachts bei geöffneten Fenstern weiter geheizt.

Um das Lüftungsverhalten der Nutzer im Hinblick auf den Heizenergieverbrauch zu verbessern, werden für jeden Raum neben der Raumtemperatur der Wärmeenergieverbrauch und der be-rechnete Wärmeenergiebedarf visualisiert. Ist der Wärmeenergieverbrauch höher als der unter Berücksichtigung momentaner Außentemperatur und Innentemperatur errechnete Wärmeener-giebedarf, so liegt eine Energieverschwendung vor. Liegt der Wärmeenergieverbrauch unter dem errechneten Wärmeenergiebedarf, so werden Energiegewinne generiert. Durch das Aufzeigen der Energieverschwendung sollen die Nutzer motiviert werden sparsam und umweltbewusst mit der Energie umzugehen.

Literatur[1] DIN EN ISO 7730:2006-05, Norm – Beuth.de; Analytische Bestimmung und Interpretation

der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit (ISO 7730:2005); Deutsche Fassung EN ISO 7730:2005. URL http://www.beuth.de/de/norm/din-en-iso-7730/89417255 – Überprüfungsda-tum 2014-10-24


Abbildung 1: Temperaturverlauf in einem Büro vom 02.12.2013 bis 28.12.2013Abbildung 2: Lüftungsverhalten in einem BüroraumAbbildung 3: Lüftungsverhalten in einem Büroraum (CO2-Konzentration) Abbildung 4: Lüftungsverhalten in einem Seminarraum

KontaktProf. Dr.-Ing. habil. Birgit Müller

Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin Fachbereich 1 / Ingenieurwissenschaften –Energie und Information Wilhelminenhofstraße 75A, 12459 Berlin

Telefon: (030) 5019-2112 E-Mail: [email protected] Internet: www.ifaf-berlin.de/projekte/heatmap

Gefördert durch:

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Experimentelle und numerische Untersuchung der Fluid-Struktur-Interaktion flexibler TragflügelprofileMatthias Voß, M.Eng.1; Prof. Dr.-Ing. Hans-Dieter Kleinschrodt1; Dipl.-Ing. Michael Dienst1

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Maschinenbau, Veranstaltungstechnik, Verfahrenstechnik

Kurzfassung

Jeder angeströmte Körper erfährt durch ein Fluid einen Widerstand, den es zu überwinden gilt. Je strömungsgünstiger dieser Körper ist, umso geringer fällt der Widerstand aus. Ändert ein Körper gezielt die von ihm erzeugte Außenströmung, spricht man von Strömungskontrol-le (z. B. Ruder, Stellklappen, Leitvorrichtungen). Ändern sich bei gleicher Kontur des Körpers die Anströmverhältnisse, so sind minimale Widerstandsbelastung oder maximale Umlenkung gleichzeitig nicht mehr realisierbar – hier muss eine neue Außenkontur gefunden werden (Adap-tion). Der geringste Kontrollaufwand entsteht wenn der Körper selbst eine strömungsgünstige Kontur erzeugen kann, indem er auf ungünstige Strömungskräfte reagiert (Autoadaption). Evolu-tionär entwickelte „Körper-Systeme“ schwimmender Lebewesen bilden zum Teil das gewünschte autoadaptive Verhalten ab. Die Entschlüsselung der Körper-Systeme und die Übertragung in Kon-struktionsprinzipien macht die von der Natur gefunden Lösungen für technische Anwendungen verfügbar. Anhand eines symmetrischen Profils (NACA0016) werden unterschiedliche Innenstruk-turierungen bei veränderlichen Betriebsbedingungen (Anstellwinkel, Anströmgeschwindigkeiten) untersucht und mit numerischen Ergebnissen hinsichtlich der Körperverformung verglichen.

Abstract

Every submerged body or body surrounded by a moving fluid undergoes a drag which needs to be overborne when moving the body. When varying flow conditions the outer contour of the body needs to be changed to result in a flow-adaptive contour (adaption), which at the same time is optimized for the given flow around the body. The aim of the prescribed research is the study of flexible and internally structured foils inspired by the living nature by conducting practical and numerical experiments. The inner structure equips a given foil contour with an “intelligent mechanic” and enables it to react on variable flow conditions without additional control or regulation. Starting in a symmetrical configuration (NACA 0016), the foil is deformed by the resulting pressure distribution around the circumference depending on the internal structure. The topology (number and type of coupling) of the internal structures are gradually examined with respect to the impact on the “system-reaction” for changing flow characteristics (AoA, mean stream velocity). Several numerical setups are tested and compared with respect to boundary conditions, mesh sensitivity and mechanical properties. In the experimental setup LDA measurements are carried out to gain insight in the local velocity distribution around the deformed foil, whereas the total deformation is determined photometrically at several positions along the foil to compare against numerical results.

EinleitungÄndern sich bei gleicher Kontur des Körpers die Anströmverhältnisse, so sind minimale Widerstandsbelastung oder maximale Umlenkung gleichzeitig nicht mehr realisierbar – hier muss eine neue Außenkontur gefunden werden (Adaption). Die Adaption an veränderliche Randbe-dingungen sollte schnell, stufenlos und mit möglichst geringem Kontrollaufwand umgesetzt werden. Der geringste Kontrollaufwand entsteht wenn der Körper selbst eine strömungsgüns-tige Kontur erzeugen kann, indem er auf ungünstige Strömungskräfte reagiert (Autoadaption,

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siehe Abbildung 1 und 3). Körper in veränderlichen Anströmverhältnissen deren Strömungswider-stand minimal sein muss, sind z. B. Flügel, Flossen, Fluken und Außenkonturen fliegender oder schwimmender Lebewesen. Die evolutionär entwickelten „Körper-Systeme“ dieser Lebewesen bilden zum Teil das gewünschte autoadaptive Verhalten ab. Die Entschlüsselung der Körper-Systeme und die Übertragung in Konstruktionsprinzipien (Abbildung 4) macht die von der Natur gefunden Lösungen für technische Anwendungen verfügbar.

Abb. 1: nicht-orthodoxes Verhalten mit Verformung U entgegen der Lasteinwirkung F

Abb. 2: Testkammer mit flexiblem Tragflügel auf drehbarer Achse (x/c=0.1) erlaubt Anstellwinkel +/- 20° und visuellen Zugang

Abb 3: mechanisches System der Gelenkkette in den Flossenstrahlen nach Videler und Geerlink, Abbildung nach [ViGe86]

Abb. 4: Markerpositionen und Abmessungen des Prototypen mit fixiertem Nasenbereich und gleichmäßig verteilten Flossenstrahlen I-III (Δ I,II,III=0,2c*) entlang der flexiblen Tragflügelsehne c* (oben); Variationen A-G der mechanischen Komponenten (unten)

Experimenteller AufbauDie Strömungsexperimente wurden am Ringkreislauf des Fachgebiets für Fluidsystemdynamik, TU Berlin durchgeführt. Der Querschnitt der rechteckigen Messkammer betrug 0,063 m2 (0,3 x 0,21 m, Länge 0,55 m) mit mittleren Strömungsgeschwindigkeiten von 2 - 6 m/s bei atmo-sphärischem Druckniveau. Der Tragflügel wurde an beiden Seiten der Messkammer geführt und mittels einer Nut/Feder-Verbindung auf einer Edelstahlwelle fixiert. Eine externe Wellenfixierung verhinderte eine freie Rotation des Flügels und erlaubte die Variation des Anstellwinkels (+/-0,1°). Der Abstand zwischen Flügel und Wandung betrug ca. 2 mm. Drei Seiten der Messkammer sind transparent und erlauben photometrische Messungen.

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Numerisches Experiment, Fluid-Struktur-InteraktionEs wurden erfolgreich numerische Untersuchungen der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) des be-schriebenen Prototypen durchgeführt. Wie in Abbildung 5 dargestellt wurde eine transiente zwei-dimensionale Konfiguration mit Vor- und Nachlauf entsprechend des experimentellen Aufbaus simuliert (ANSYS CFX/ANSYS, k–ω-SST-Turbulenzmodel).

Abb. 5: numerisches Berechnungsgebiet mit blockstrukturierten, hexahedralen Berechnungselementen und vergrößerter Darstellung der Grenzschichtauflösung in Staupunkt und Hinterkante, ~730.000 Elemente, Strukturgitter des Flügels ausgeblendet

Messung der Verformung (OpenCV)Die Verfolgung der Verformung des Flügels unter Last erfolgte durch eine Serienaufnahme hoch-aufgelöster Bilder (Auflösung: 4200 x 4200 px) und anschließender Farbfilterung und Detekti-on der Markerpositionen (Detektion „HoughCircles“ [YPIK90], Processing 2.0 –Version „OpenCV for Processing 0.4.5“ [Bore 13], [Brad 00]). Die Detektion der Verschiebungsmarker war erfolg-reich und konnte die beobachteten Prototypverformungen sehr gut automatisiert analysieren, siehe Abbildung 6.

ErgebnisseErwartungsgemäß hat die Stärke der Tragflügelflächen einen erheblichen Einfluss auf das Ver-formungsverhalten. Wird bei gleicher Innenstrukturierung die Materialstärke verringert, ist ein deutlicher Anstieg der Gesamtverformung zu beobachten, wie im Vergleich zwischen Flügel A (3 mm Plattenstärke) und Flügel B (2 mm Plattenstärke) zu erkennen, (siehe Abbildung 7). Je nach Art der Innenstrukturierung konnten bei konstanter Materialstärke (Flügel B-H) unter-schiedliche Außenkonturen beobachtet werden. Je weniger die Saug- und Druckseiteninteraktion über die Flossenstrahlen ausfällt, umso stärker ist die Krümmung an den lokalen Fesselungen (Flügel E). Der Einfluss der „vorderen“ Anbindungen (Position I) fällt gering aus, da hier der Ein-fluss der Einspannung bei gegebenem E-Modul die Verformung dominiert.

Der Vergleich mit den numerischen Daten (siehe Abbildung 8-9) zeigt deutliche Unterschiede in den errechneten Verschiebungen für alle Marker. Gleichwohl generelle Trends, wie ansteigen-de Verformung bei ansteigendem Volumenstrom, abgebildet werden, ist die Vorhersagegenau-igkeit bisher noch nicht zufriedenstellend. Die Vereinfachung des Strömungsgebietes in eine 2D-Repräsentierung hat einen dominanten Einfluss auf die Gesamtströmungsführung entlang der Profilsehne. Im Rahmen dieser Arbeit wurde jedoch eine Parameterstudie des generellen Strukturaufbaus vorgezogen, da eine Parameterstudie mit voller dreidimensionaler Auflösung im Strömungsgebiet aufgrund der deutlich längeren Rechenzeiten in sinnvoller Dauer nicht um-setzbar war.

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ZusammenfassungDas vorgeschlagene mechanische System für die Innenstrukturierung des flexiblen Tragflügels bildet den gewünschten Flossenstrahleffekt ab und wurde bei unterschiedlichen Anströmge-schwindigkeiten und Anstellwinkeln untersucht. Der Prototyp weißt je nach Variante der In-nenstrukturierung unterschiedliche Krümmungen und Gesamtverschiebungen auf. Für identische Anströmbedingungen wurden numerische FSI-Rechnungen durchgeführt um das numerische Be-rechnungsmodel zu validieren. Die generellen Charakteristika der Verformung des Prototypen konnten abgebildet werden, gleichwohl die Werte für lokale Verschiebungen stark abweichen.

Abb. 6: Beispiel für detektierte Marker entlang der Druck- und Saugseite; durchgezogene Linien veranschaulichen die gemessene Tragflügelkontur, Flügel B, Anstellwinkel 10°

Abb. 8: qualitativer Vergleich zwischen Experiment und numerischer Simulation (FSI), überlagerte Bilder des verformten Tragflügels und des Konturverlaufes aus der Fluid-Struktur-Interaktion, Flügel B, Anstellwinkel 6°

Abb. 9: quantitativer Vergleich zwischen Experiment und numerischer Simulation für Flügel B, Verschiebung U an Markerpositionen für variierende Anströmgeschwindigkeiten und Anstellwinkel (6°,8°,10°), Marker I-IV an Flügeloberseite schwarz umrandet

Abb. 7: detektierte Deformationen für die variierten Innenstrukturen, Flügel A-I,u

x ≅ 2m/s

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Literatur[Bore 13] Borenstein, G. (2013); opencv-processing GitHub Repos

[Brad 00] Bradski, G. (2000); The OpenCV Library, Dr Dobbs J. Softw. Tools, Vol. 25, pp. 120–125.

[ViGe 86] Videler, J. J., and Geerlink, P. J. (1986); The Relation Between Structure and Bending Properties of Teleost Fin Rays, Netherlands; J. Zool., Vol. 37, no. 1, pp. 59–80.

[YPIK 90] Yuen, H. K., Princen, J., Illingworth, J., and Kittler, J. (1990); Comparative study of Hough Transform methods for circle finding, Image Vis. Comput., Vol. 8, no. 1, pp. 71–77.


Abbildung 1: nicht-orthodoxes Verhalten mit Verformung U entgegen der Lasteinwirkung FAbbildung 2: Testkammer mit flexiblem Tragflügel auf drehbarer Achse (x/c=0.1) erlaubt Anstell-

winkel +/- 20 ° und visuellen ZugangAbbildung 3: mechanisches System der Gelenkkette in den Flossenstrahlen nach Videler und

Geerlink, Abbildung nach [ViGe86]Abbildung 4: Markerpositionen und Abmessungen des Prototypen mit fixiertem Nasenbereich

und gleichmäßig verteilten Flossenstrahlen I-III (Δ I,II,III=0,2c*) entlang der flexiblen Tragflügelsehne c* (oben); Variationen A-G der mechanischen Komponenten (unten)

Abbildung 5: numerisches Berechnungsgebiet mit blockstrukturierten, hexahedralen Berech-nungselementen und vergrößerter Darstellung der Grenzschichtauflösung in Staupunkt und Hinterkante, ~730.000 Elemente, Strukturgitter des Flügels ausgeblendet

Abbildung 6: Beispiel für detektierte Marker entlang der Druck- und Saugseite; durchgezogene Linien veranschaulichen die gemessene Tragflügelkontur, Flügel B, Anstellwinkel 10°

Abbildung 7: detektierte Deformationen für die variierten Innenstrukturen, Flügel A-I,ux ≅ 2m/s

Abbildung 8: qualitativer Vergleich zwischen Experiment und numerischer Simulation (FSI), überlagerte Bilder des verformten Tragflügels und des Konturverlaufes aus der Fluid-Struktur-Interaktion, Flügel B, Anstellwinkel 6°

Abbildung 9: quantitativer Vergleich zwischen Experiment und numerischer Simulation für Flügel B, Verschiebung U an Markerpositionen für variierende Anströmgeschwin-digkeiten und Anstellwinkel (6°,8°,10°), Marker I-IV an Flügel-oberseite schwarz umrandet

Kontakt:Prof. Dr.-Ing. Hans-Dieter Kleinschrodt


Tel.: (030) 4504-5454 E-Mail: [email protected] Internet: http://prof.beuth-hochschule.de/ kleinschrodt

Prof. Dr.-Ing. Paul Uwe Thamsen

Technische Universität Berlin Institut für Strömungsmechanik und Technische Akustik Fachgebiet Fluidsystemdynamik Straße des 17. Juni 135, 10623 Berlin

Tel.: (030) 314-23099 E-Mail: [email protected] Internet: http://www.fsd.tu-berlin.de

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FEEL – Schließung der Energieeffizienzlücken von Gebäuden mittels CockpitsteuerungAss. jur. Dipl.-Soz. päd. Volker Bargfrede2; Lea Elfert, B. sc. cand.1; Prof. Dipl.-Kfm. Kai Kummert1; Dipl.-Phys. Frank Scheffler1

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Architektur und Gebäudetechnik2 Brandenburgischer Landesbetrieb für Liegenschaften und Bauen (BLB)

Kurzfassung

Das Forschungsprojekt Forschung EnergieEffizienzLücke (FEEL) beschäftigt sich mit der Schlie-ßung von energetischen Lücken zwischen berechneten und realen Energieverbräuchen von Nicht-wohngebäuden. Dazu wurde eine Cockpitsteuerung mit mehreren Instrumenten entwickelt, die Wechselwirkungen von Gebäudekomponenten, Auswirkungen von Optimierungs maßnahmen und den Einfluss des Nutzerverhaltens untersucht.

Abstract

The research project Forschung EnergieEffizienzLücke (FEEL) deals with the closing of energy gaps between calculated and real-life energy consumptions of non-residential buildings. There-fore, a cockpit control of multiple instruments has been developed to investigate interactions of building components, the influence of improvements and the impact of user behaviour.

Einleitung Die energetischen Modernisierungen von Fassaden, Fenstern und Heizungssystemen realisieren meistens nicht die erwarteten Einsparungen. Diese Energieeffizienzlücken fordern das Energie-management heraus. Unsere Forschungsgruppe hat einen Instrumentenkoffer für genau diese Problemlage entwickelt und fokussiert dabei auf energiekritisches Nutzerverhalten. Die Praxis-tauglichkeit wurde mit dem Brandenburgischen Landesbetrieb für Liegenschaften und Bauen (BLB) nachgewiesen.

Hauptteil Der Wärmebedarf des öffentlichen Gebäudebestandes soll bis 2020 um 20 Prozent gesenkt werden, bis 2050 soll nahezu Klimaneutralität erreicht sein. Zur Erreichung dieser Ziele hat der Bund im Energiekonzept den Rahmen für eine umfassend angelegte Modernisierungsoffensive beschlossen.

Nationale wie internationale Untersuchungen zeigen jedoch, dass auch bei modernisierter Technik große Lücken (Energieeffizienzlücken) zwischen den theoretischen Berechnungen in der Planung und den real eintretenden Energieverbräuchen bestehen [Bun 11] [Aza 12] [Men 12] [Sti 13] [Kum 13].

Unsere Forschungsgruppe entwickelt Methoden und Werkzeuge, mit denen sich die Ursachen der Energieeffizienzlücken erkennen und schließen lassen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfah-ren im Bereich des Energiemanagements, die klassische technikfokussierte Sichtweisen nutzen, bezieht FEEL auch nutzerbasierte Aspekte in die Analyse ein.

Dadurch können die Wechselwirkungen verschiedener Gebäude komponenten, die Auswirkungen energetischer Optimierungsmaßnahmen und insbesondere der komplexe Einfluss des Nutzerver-haltens [Kle 10] [Per 13] [Yan 14] besser beurteilt werden.

Die vier aufeinander aufbauenden Methoden der Cockpitsteuerung Gebäude-Ersterfassungstool, Energieverbrauchs-Benchmarking, Energie-Dashboard und Management-Summary stellen eine wirksame Energieeffizienzlösung für Immobilienverantwortliche dar.

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Das Gebäude-Ersterfassungstool ist eine Excel-gestützte Lösung zur Aufnahme sämtlicher ener-gierelevanter Informationen und Gebäudekenndaten und wird bei zwingend durchzuführenden Gebäudebegehungen eingesetzt. Es greift u. a. auf Geschosspläne und Experteninterviews zu-rück. Aufgrund der Diversität unterschiedlicher Bauwerkskategorien und Nutzungsarten ergibt sich ebenfalls eine sehr heterogene Systematik von Energieeffizienzlücken bei einer Vielzahl verschiedener Energieverbrauchstreiber und Einsparoptionen. Die aufgenommenen Gebäude- und Nutzerdaten werden zudem so strukturiert, dass sie in die marktüblichen CAFM-Systeme übertragbar sind.

Das Energieverbrauchs-Benchmarking vergleicht aggregierte reale Ist-Verbräuche mit theoreti-schen Soll-Werten. Entscheidend für die Größe einer Energieeffizienzlücke in einem Gebäude ist die Bestimmung des „richtigen“ Soll-Wertes. Dieser ist nur mit rechnerisch-planerischen Metho-den ermittelbar und stellt eine Approximation an das Energieeffizienzoptimum dar. Die Qualität eines Soll-Verbrauchswertes hängt in nicht-trivialer Weise von den verwendeten Regelwerken oder Softwaresystemen ab. Die meisten Verfahren berücksichtigen das Nutzerverhalten aber nur unzureichend.

Das Energie-Dashboard signalisiert den Handlungsbedarf ganzheitlich (siehe Abbildung 1).

Abb. 1: Energie-Dashboard als Signalgeber für Handlungsbedarf in sechs energetischen Haupttreibern

Die Treiber des Energieverbrauchs von Gebäuden sind in sechs Dimensionen aufgegliedert: Bau-konstruktion, technische Gebäudeausrüstung, Gebäudeleittechnik, Informationstechnik, Organi-sation und Nutzerverhalten. Die vermuteten Handlungsbedarfe beruhen auf der Ersterfassung und werden durch weitere Begehungen, Expertenbefragungen, Simulationen sowie Feldversuche erhärtet. Die Verfahren sind nicht automatisiert und bedürfen personeller, fachspezifischer For-schungstätigkeit, die zudem auf den Einsatz von Simulations-Software zurückgreift. Die Belast-barkeit der Handlungsempfehlungen und deren potenzielle Wirksamkeit hängen von der Güte der Analysen ab. Diese sind sehr personalintensiv und werden durch die Einbindung des Instru-mentes Gebäudepatenschaft realisiert.

Die Management-Summary fungiert als Management-Informationssystem: Sie beinhaltet die Ge-bäudekenndaten, das Energieverbrauchs-Benchmarking und das Energie-Dashboard. Dadurch werden die relevanten Auswertungen und Handlungsempfehlungen objektscharf abgebildet und sofort entsprechende Maßnahmen ermöglicht. Bei den Vorschlägen handelt es sich in der Regel um geringinvestive Maßnahmen.

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ZusammenfassungFEEL wird in Kooperation mit dem BLB durchgeführt. Für mehrere Objekte, u.a. Polizei- und Ge-richtsgebäude, wurden bisher Management-Summaries erstellt. Die Aufteilung des Dashboards in die sechs energetischen Haupttreiber ist ein gutes Visualisierungs- und Aggregationsverfahren, das sich als zielführend erwiesen hat. Diese Steuerung funktioniert nicht automatisch, da die komplexen Kausalbeziehungen zwischen Technik und Nutzer immer wieder menschliche Experti-se erfordern. Es sind aber zunehmende Automatisierungsebenen vorbereitet für zukünftige Plug-ins, z. B. Belegungsdichten von Gebäuden.

Als zentrale Erkenntnis hat sich beim Betrieb der Cockpitsteuerung herausgestellt, dass das Nut-zerverhalten in den energetischen Fokus gehört, gerade weil es oft (noch) die große Unbekannte bleibt. Je feingranularer die Qualität der Energiedaten ist und je präziser die Managementhebel ausgerichtet werden, desto geringinvestiver kann im Anschluss die Optimierung der Energiever-bräuche erfolgen.

Literaturverzeichnis[Aza 12] Azar, Elie et al: A comprehensive analysis of the impact of occupancy parameters in

energy simulation of office buildings, Energy and Buildings 55 (2012), 841–853

[Bun 11] Bunse, Katharina et al: Integrating energy efficiency performance in production man-agement – gap analysis between industrial needs and scientific literature, Journal of Cleaner Production 19 (2011), 667–679

[Kle 10] Klesse, Andreas: Energieeffizientes Nutzerverhalten in Organisationen, 74. Jahrstagung der DPG – Bonn (2010)

[Kum 13] Kummert, Kai et al: Good Practice Beispiele experimenteller Energiesystemanalysen – Optimierungspotenziale bewerten und umsetzen, Tagungsband Facility Management Kongress 2013, Berlin/Offenbach (2013), 465–474

[Men 12] Menezes, Anna Carolina et al: Predicted vs. actual energy performance of non- dometic buildings: Using post-occupancy evaluation data to reduce the performance gap, Applied Energy 97 (2012), 355–364

[Per 13] Person, Ralf-Dieter: Energieeffizientes Nutzerverhalten in öffentlichen Liegenschaften – Erfolgreiche Beispiele aus dem Projekt „CHANGE“, Energie Cup Hessen II, 2013

[Sti 13] Stiftung Energieeffizienz: Wohnungswirtschaft und Experten energiesparenden Bauens bemängeln klaffende Lücke zwischen Theorie und Praxis, Pressemitteilung vom 1. Expertentreffen Wohnen und Energie (2013)

[Yan 14] Yang, Zheng et al: Modeling personalized occupancy profiles for representing long term patterns by using ambient context, Building and Environment 78 (2014), 23–35

KontaktProf. Dipl.-Kfm. Kai Kummert


Telefon: (030) 4504-5208 E-Mail: [email protected] Internet: http://prof.beuth-hochschule.de/ kummert


Abbildung 1: Energie-Dashboard als Signalgeber für Handlungsbedarf in sechs energetischen Haupttreibern

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Adaptives HeizungssystemProf. Dr.-Ing. Huu-Thoi Le1; Raimo Kuntsche, M.Sc.1; Jack Polowczyk, M.Eng.11 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Architektur und Gebäudetechnik

Kurzfassung

Mit einem innovativen Heizungssystem sollen die bisherigen Nachteile derzeitiger Heizungs-systeme beseitigt und ein neuer Maßstab in der Gebäudetechnik eingeführt werden. Möglich macht das die Entwicklung eines adaptiven Plug&Work-Systems, welches alle Wärmeverbrau-cher gleichzeitig energieeffizient und bedarfsgerecht versorgt. Grundlagen sind die dynamische Hubbegrenzung der Thermostatventile, die Anpassung der Heizkurve im Wärmeerzeuger und die Anpassung der Leistung der zentralen Umwälzpumpe.

Abstract

With an innovative heating system the previous drawbacks of current heating systems are eliminated and a new standard in building technologies is introduced. To make this possible an adaptive plug-and-work system will be developed, which supplies all heat consumers both energy efficient and as needed. The basic concepts are the dynamic stroke limitation of the thermostatic valves, adjusting the heating curve of the heat source and adjusting the power of the central circulation pump.

Einleitung: Situation in DeutschlandIn Deutschland ist das Einsparpotential im Gebäudebereich sehr groß, insbesondere im Gebäu-debestand. Auf diesen entfällt ein besonders hoher Anteil der gesamten Endenergie, die nach wie vor etwa 40 % im gesamten Gebäudebereich ausmacht [Bun 11]. Da der Anteil der Bestands-gebäude in Deutschland über 80 % beträgt, die noch vor den ersten wirksamen Wärmeschutz-verordnungen errichtet und auch mit veralteter Anlagentechnik ausgerüstet worden sind, können sich in diesem Bereich Effizienzsteigerungen besonders stark auswirken.

HauptteilStand der Technik

Nach aktueller Gesetzgebung müssen sowohl beim Neubau als auch bei größeren Modernisie-rungen von Bestandsgebäuden der hydraulische Abgleich, eine Pumpenanpassung sowie die Einstellung der Heizkurve vorgenommen werden. In der Praxis wird dies oft fehlerhaft durchge-führt. Meist fehlen eine exakte Heizlastberechnung und eine korrekte Pumpeneinstellung. Um Probleme im Betrieb zu vermeiden werden oft

■ zu große Pumpen eingebaut und■ die Heizkurve zu hoch eingestellt.

Des Weiteren arbeiten die Komponenten wie Kessel, Pumpe und Thermostatventile weitgehend unabhängig voneinander. Die Folge ist eine Verringerung des Nutzungsgrades des Heizsystems durch:

■ zu hohe Vorlauftemperaturen und damit ■ höhere Wärmeverluste des Kessels und der Rohrleitungen■ zu hohe Differenzdrücke und damit ■ eine höhere Leistungsaufnahme der Pumpe sowie Geräusche

Ein komplexes Thema stellt immer noch der hydraulische Abgleich dar, vor allem bei Modernisie-rungen in Bestandsgebäuden. Nach den bekannten Regeln der Technik wird dieser für die Ausle-

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gungsbedingungen (statisch) mithilfe zusätzlicher hydraulischer Widerstände (Voreinstellungen) an den Thermostatventilen vorgenommen. Voraussetzungen zur Durchführung des hydraulischen Abgleichs sind Kenntnisse über:

■ die Heizlast der einzelnen Räume,■ die Heizkörperleistung,■ die Kennlinie des Thermostatventils und■ die Druckverluste und Struktur des Rohrnetzes.

Bei anderen Betriebsbedingungen als den Auslegungsbedingungen, die durchschnittlich zu 5% der Jahresbetriebszeit auftreten, ist bei diesem Verfahren der hydraulische Abgleich nicht gege-ben. Es kann zur Über- und Unterversorgung der Räume mit Wärme kommen. Es muss zusätzliche Pumpenenergie aufgewendet werden und Verstopfungen durch verengte Strömungsquerschnitte werden begünstigt.

Ansatz des innovativen Heizungssystems

Um die Nachteile bisheriger Heizungssysteme zu beseitigen, ist eine Gesamtsystembetrach-tung unabdingbar. Dies ermöglicht der Einsatz eines adaptiven Heizungssystems nach dem Plug&Work-Prinzip. Durch Kommunikation der relevanten Komponenten einer Heizungsanlage (Kessel, Pumpe, Thermostatventile) mit einer zentralen Regeleinheit, kann im Betrieb sowohl der hydraulische Abgleich (dynamisch) als auch eine Adaption der Pumpenleistung und der Heizkur-ve vorgenommen werden, siehe Abb. 1. Ein statischer hydraulischer Abgleich ist dann nicht mehr erforderlich und eine Voreinstellung der Thermostatventile entfällt. Ermöglicht wird dies durch den dynamischen Abgleich mithilfe der automatischen Hubbegrenzung. Die Funktionsweise zeigt die Abb. 2. Bei festgehaltener Heizkurve wird die Pumpenleistung soweit adaptiert, dass sich ein Ventilhub von 100 % einstellt. Somit entfallen überflüssige Widerstände in der Anlage. Unter Berücksichtigung des Nutzerkomforts lässt sich dadurch ein bedarfsgerechter und energieeffizi-enter Anlagenbetrieb erzielen.

Abb. 1: Kommunikation der relevanten Komponenten einer Heizungsanlage

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Förderkennzeichen: 03ET1150A

Zusammenfassung Durch das gesamtheitliche Regelungskonzept lassen sich im Bereich der Wärmeversorgung von Gebäuden, vor allem im älteren Gebäudebestand, erhebliche Einsparpotentiale von bis zu 25 % realisieren, wie erste Ergebnisse zeigen. Ermöglicht wird dies durch eine optimale Zusammenar-beit und Abstimmung aller Komponenten innerhalb der Heizungsanlage, sodass die Wechselwir-kungen zwischen ihnen berücksichtigt werden. Der Einsatz dieser neuartigen Technik ermöglicht zudem weitere Ansätze für Einsparungen, sog. Optimierungsfunktionen, wie z. B. die Optimie-rung von Aufheiz- und Abkühlvorgängen, die automatische Fensterlüftungserkennung oder die Festlegung von komplexen Soll-Raumtemperaturprofilen. Durch die flexible Plug&Work-Lösung wird der Installationsaufwand für eine Umrüstung der alten Anlagentechnik auf ein Minimum re-duziert und eignet sich daher für jedes Gebäude bzw. jede Heizungsanlage. Fehlern bei Planung und Installation können so entgegengewirkt und „Energieverschwendung“ minimiert werden.

Literatur[Bun 11] Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi): Forschung für eine

umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung, Berlin, 2011

AbbildungsverzeichnisAbbildung 1: Kommunikation der relevanten Komponenten einer Heizungsanlage Abbildung 2: Funktionsweise der klassischen Voreinstellung und der modernen Hubbegrenzung

Abb. 2: Funktionsweise der klassischen Voreinstellung und der modernen Hubbegrenzung

KontaktProf. Dr.-Ing. Huu-Thoi Le



Gefördert durch:

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Bewertung der Nachhaltigkeit von BaustoffenDr. Arch. Silvia de Lima1; Prof. Dr.-Ing. habil. Birgit Müller1; Prof. Dr.-Ing. Olaf Zeidler1; Prof. Dr. Arch. Carlos Alho2

1 Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin Fachbereich Ingenieurwissenschaften – Energie und Information2 CIAUD, Faculdade de Arquitectura, Universidade Lisboa, Portugal

KurzfassungMit dem wachsenden Bewusstsein für globale Probleme wird es immer offensichtlicher, dass Planungen interdisziplinär sein sollen. Bezüglich der Auswahl von Baustoffen gibt es bisher nur unzureichende Bewertungsmethoden die ganzheitliche Analysen durchführen. Aus diesem Grund wird ein neuer Ansatz für ein Bewertungssystem vorgestellt, welcher aus der Dissertation des Autors [deL 01] hervorgeht.

Abstract

With the growing awareness of global problems, it is increasingly apparent that planning pro-cesses should be interdisciplinary. Holistic material selection tools that correspond to the hole sustainability concept are rare. For this reason, a new approach is presented for an assessment tool, which is based on the PhD thesis of the author [deL 01].

Einleitung Es existieren verschiedene Arbeitshilfen im Bereich der Produktbewertung, wie zum Beispiel die Umweltproduktdeklarationen und Label. Diese sind zwar sinnvoll, aber berücksichtigen oft nicht den ganzen Lebenszyklus oder beziehen sich nur auf einen der drei Nachhaltigkeitssäulen. Unser Modell beruht auf einem existierenden Bewertungssystem, welches verändert und anpasst wurde, sodass die Ansprüche für eine umfangende Bewertung der Nachhaltigkeit von Baustoffen erfüllt werden.

Hauptteil Das Bewertungssystem beruht auf dem Drei-Säulen-Modell der Nachhaltigkeit. Dieses vereint neben ökologischen auch ökonomische und soziale Ziele und stellt somit den interdisziplinären Charakter von „Nachhaltigkeit“ heraus. Die drei Säulen sind gleichberechtigt und formen eine dreidimensionale Perspektive, sie bedingen einander, und können nicht „teiloptimiert“ werden [Her 02].

Laut Ing. Bragança [Mat 03] besitzt ein Nachhaltigkeitsgrad einen relativen Zusammenhang, wel-cher in Bezug zu einer Referenz-Lösung eines bestimmten Ortes und Zeitpunkt analysiert werden muss. Als Mindestniveau der Nachhaltigkeit entsprechen Lösungen die am häufigsten auf dem Markt existieren. Das beste Niveau hängt davon ab, was die heutige Technik leisten kann, beide sind also der technologischen Entwicklung angepasst [Mat 04]. Aus dieser Perspektive werden immer zwei oder mehr Baustoffe im Vergleich zueinander untersucht.

Parameter und Datenerhebung

Der Zuverlässigkeitsgrad eines solchen Instrumentes kann durch die Nutzung von Daten aus zweifelhaften Quellen, beeinträchtigt werden. Es ist also von höchster Bedeutung interessenfreie Quellen, die regelmäßig aktualisiert werden, zu benutzen. Die Quellen der Daten können in der Dissertation von de Lima [deL 01] nachgelesen werden.

Ökologische Parameter

Die ökologischen Parameter versuchen die Wechselwirkung eines Baustoffes mit der Umwelt zu bewerten, die folgenden wurden für das Bewertungssystem ausgewählt: Treibhauspotential (TP),

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Eutrophierungspotenzial (EP), Versauerungspotential (VP), Ozonschichtabbaupotenzial (OP), Graue Energie (GE), Abiotische Ressourcenbeanspruchung (AR), Wassernutzung (WN), Fester Ab-fall (FA), Recyclebar/Flexibilität (RF), Transporttyp/Abstand zum Projekt (TRN).

Behaglichkeits-Parameter

Bewusst oder unbewusst sind unsere Sinne das Medium mit denen wir dem Raum wahrnehmen und unseren Grad der Zufriedenheit messen. Unsere Sinne werden durch die Eigenschaften des Raumes stimuliert, je nach dem Reiz interagieren wir mit der Umgebung. Die folgenden Behag-lichkeits-Parameter wurden herausgearbeitet: Akustik-Komfort (AK), Thermische Behaglichkeit (WLF – Wärmeleitfähigkeit), Sicherheit (SH), Haltbarkeit (HBK).

Ökonomische Parameter

Ökonomische Parameter beziehen sich auf die Kosten, die ein bestimmter Baustoff für seine Umsetzung benötigt. Auch hier muss der gesamte Lebenszyklus betrachtet werden, dies er-gibt für Baustoffe die folgenden Parameter: Konstruktionskosten (KK – einschließlich Fertigung, Transport- und Einbau), Kosten für Abbau und Entsorgung oder die Wiedereingliederung in ein anderes Produkt (EK).

Nutzungs- sowie Instandhaltungskosten sind bei der Betrachtung von Baustoffen nicht relevant, da diese sich nur bei der Betrachtung von ganzen Gebäuden eignen, diese werden daher nicht miteinbezogen.

Datenbearbeitung | Normierung

Die erhobenen Daten werden normiert, damit die unterschiedlichen Werte der Daten vergleichbar sind. Dieses Verfahren kann nach Balteiro [Bal 05] wie folgt berechnet werden (Rj* = Idealwert; R*j = schlechtester Wert (Anti-Wert); Rij = realer Wert). Wenn der Wert “umso größer besser” ist, gilt die erste Formel, wenn der Wert “umso keiner besser” ist, gilt die zweite Formel:

(1)

(2)

Mit dieser Normierung werden die Daten in einen Wert zwischen 0 und 1 umgewandelt. Somit ergibt sich ein Index der den Grad der Nachhaltigkeit relativ zu der Untersuchung anzeigt, wobei der Wert 0 die geringsten Auswirkungen hat, und 1 die höchsten [Bal 05].

Datenbearbeitung | Aggregation

Für ein einfacheres Leseverständnis wird eine Aggregation der Werte der verschiedenen Para-meter für jede Nachhaltigkeitssäule gemacht (ökologisch, sozial und ökonomisch). Nach der folgenden Gleichung wird ein relativer Wert ermittelt, der nur für den Vergleich zwischen zwei oder mehr Baustoffen gültig ist [Mat 04]. IS ist ein nicht gewichteter Durchschnitt aller Parameter die vorher normiert wurden:

(3)

Ergebnisse

Der relative Nachhaltigkeitsgrad eines Baustoffes wird durch eine Zusammenfassung der bear-beiteten Daten bestimmt [Mat 02]. Mit diesem Gesamtergebnis können die Baustoffe (A und B) verglichen werden, als Ergebnisse sind 3 Situationen möglich: A> B, A = B, A <B. Wenn eines der Baustoffe als Referenz angesehen wird, kann verdeutlicht werden wie stark die Verbesserung oder Verschlechterung der Auswirkungen sind:

(4)

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Grafische Auswertung

Die grafische Kommunikation der Ergebnisse verdeutlicht die Beziehung zwischen den zu unter-suchenden Baustoffen, die folgende Abbildung 1 zeigt ein Beispiel in dem XPS (Referenzmaterial) und Steinwolle mit einander verglichen werden [deL 01]:

Es gibt die Möglichkeit eine andere Darstellungsweise zu nutzen, die sogenannte Circos [Krz 06]. Circos ist eine Software, welche tabellarische Daten in ein zirkuläres Layout bringt, bei dem nicht nur die Gesamtwerte, sondern auch die Teilergebnisse und deren Proportionen zueinander wiedergespiegelt werden. Die Darstellungsweise ist komplexer und nicht so intuitiv wie die Radardarstellung, aber sie spiegelt Verhältnisse der Daten, die mit der Radardarstellung nicht erkennbar sind, da mehrere Baustoffvergleiche gleichzeitig angezeigt werden. Sie wurde von Ing. Martin Krzywinski zur Darstellung von Genomdaten entwickelt, sie ist aber so flexibel und anpassungsfähig, dass sie auch für andere Datentypen und Forschungsbereiche einsetzbar ist, solange die Daten in Tabellenform vorhanden sind.

Die Abbildung 2 zeigt ein solches Diagramm, in dem 10 verschiedene Dämmstoffe untersucht und miteinander verglichen werden. Auf der rechten Seite des Halbkreises sind die 3 Hauptkriterien sichtbar (Ökologie, Ökonomie und Behaglichkeit), auf der linken Seite sind die 10 Baustoffe nach der Gesamtbewertung aufgelistet (beste Bewertung oben, schlechteste unten). Die Baustoffe und die Bewertungskriterien werden durch Balken mit einander verbunden, umso breiter der Balken desto höher die negative Auswirkung. Man kann anhand dieser Breite ablesen, ob die Werte für die verschiedenen Baustoffe in einer vergleichbaren Größenordnung sich bewegen, oder, ob es dort bedeutende Unterschiede gibt. In dem folgenden Beispiel ist ablesbar, dass die Behaglichkeitsbewertungen aller untersuchten Baustoffe relativ ähnlich sind, im Gegensatz zu den ökonomischen und ökologischen Bewertungen. Daraus kann man schlussfolgern, dass die Behaglichkeitsbewertung bei dieser spezifischen Auswahl nicht so relevant ist wie die anderen zwei Bewertungskriterien.

Zusätzlich werden in einem parallelen Kreis zu allen Baustoffen die Kriterien der Größe nach angeordnet, daran kann man schnell erkennen welcher Baustoff in welchem Kriterium besser oder schlechter bewertet wurde. Das gleiche wird auf der linken Seite für die Kriterien aufge-stellt, so dass man erkennen kann, welcher Baustoff in diesem Kriterium besser oder schlechter abgeschnitten hat.

Abb. 1: Ergebnisse in Radargrafik. Links: einzelne Parameter; Rechts: zusammengefasste Daten – drei Säulen [deL 01].

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Zusammenfassung Das Integrieren von Instrumenten, die die Bewertung der Nachhaltigkeit von Baustoffen voll-ziehen, ist für eine ganzheitliche Planung im Bauwesen hilfreich und notwendig. Dieses Bewer-tungssystem hat sich als funktionsfähig und praktisch erwiesen. Baustoffe, die als ökologisch bekannt sind, sind deshalb nicht immer automatisch auch nachhaltig. Diese vielseitige Betrach-tungsweise ist sehr wichtig, da somit die Entscheidungen umfangreicher werden.

Die praktische Umsetzung dieses Bewertungssystems ist user friendly, da die notwendigen Da-ten öffentlich erhaltbar sind, oder durch die entwickelten Ampeln [deL 01] auszufüllen sind. Der Fortschritt eines solchen Bewertungssystems ist sein Umsetzungspotenzial in die Praxis, da die Bewertung von Nachhaltigkeit ein sehr komplexer Vorgang ist, der mit diesem System einfach an den Nutzer gebracht wird. Der Nutzer kann frei alle Vergleiche durchführen, die ihn interessieren und unabhängig Entscheidungen über die Baustoffauswahl treffen.

Abb. 2: Beispiel der Circos Darstellung [deL 01].

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KontaktProf. Dr.-Ing. habil. Birgit Müller

Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin Fachbereich 1 / Ingenieurwissenschaften – Energie und Information Wilhelminenhofstraße 75A, 12459 Berlin


Literatur[Bal 05] Balteiro, L., et al.: In search of a natural systems sustainability index, Ecological

Economics 49, 2004, 401-405, URL: http://www.is.cnpm.embrapa.br/bibliografia/2004_ In_search_of_a_natural_systems_sustainability_index.pdf zitiert: 05.08.2012

[deL 01] de Lima, Silvia: Ferramentas de análise de grau de sustentabilidade no ambiente construído – Avaliação de materiais de construção no ato do projeto de arquitetura, Faculdade de Arquitectura, U.L., Portugal, 2014

[Her 02] Herkommer, E., Der Aktuelle Begriff, in: Wissenschaftliche Dienste des Bundestages (Hrsg.), Nachhaltigkeit, Nr.06/2004, Bundestag, Berlin, 2004

[Krz 06] Krzywinski, M., et al., CIRCOS, Canada’s Michael Smith Genome Sciences Centre, Van-couver, Canada, 2009

[Mat 03] Mateus, Ricardo : Novas tecnologias construtivas com vista à sustentabilidade da-construção, Dissertation, Universidade do Minho, Portugal, 2004

[Mat 04] Mateus, R., et al. : Tecnologias construtivas para a sustentabilidade da construção, 1. Auflage, Edições Ecopy, Portugal, 2006


Abbildung 1: Ergebnisse in Radargrafik. Links: einzelne Parameter; Rechts: zusammengefasste Daten – drei Säulen.

Abbildung 2: Beispiel der Circos Darstellung.

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Mathematische Modelle der anomalen GrundwasserdiffusionProf. Dr. Yuri Luchko1

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Mathematik – Physik – Chemie

Kurzfassung

Eine der zentralen Herausforderungen für die Stadt der Zukunft ist die Qualität der Wasserversor-gung. Dabei spielt das Grundwasser in Form des durch den Boden filtrierten Niederschlagwassers eine wichtige Rolle. Für die Beschreibung der Ausbreitung des Regenwassers im meistens sehr heterogenen Boden werden zuverlässige physikalische und mathematische Modelle benötigt. Im Beitrag wird die Modellierung der anomalen Diffusion des Grundwassers mit fraktionellen Differentialgleichungen behandelt.

Abstract

One of the central challenges for the city of the future is quality of the water supply. In partic-ular, the quality of the groundwater in form of rainwater filtered through the ground should be granted. Thus some reliable physical and mathematical models for description of propagation of the rainwater in as a rule very heterogeneous soil are needed. In this paper, the models for the anomalous diffusion of the groundwater in form of the fractional differential equations are discussed.

EinleitungWasserressourcen werden zum Teil durch Recycling wiederverwendbar gemacht. In die Reservoirs mit dem recycelten Wasser gelangt auch das Grundwasser, dessen Qualität im besonderen Maß kontrolliert werden sollte. Sollten umweltschädliche Substanzen ins Regenwasser gelangen, sind zuverlässige Vorhersagen der Qualität des Grundwassers eine wichtige Aufgabe. Insbesondere werden physikalische und mathematische Modelle für die Ausbreitung des Regenwassers im meistens sehr heterogenen Boden gefragt.

Hauptteil Wie experimentelle Daten zeigen, unterscheiden sich die Charakteristika der Grundwasserdif-fusion sehr wesentlich von den Vorhersagen, die im Rahmen der klassischen Diffusionstheorie gemacht werden ([Ada 92], [Ber 00], [Hat 98], [Xio 06]). Insbesondere ist die Geschwindigkeit der Ausbreitung des Wassers im heterogenen Boden meistens viel langsamer als die, die von den klassischen Diffusionsmodellen vorhergesagt wird (s. Abb. 1).

Abb. 1: Anomale Diffusion des Grundwassers: Experimentelle Daten vs. Vorhersagen des klassischen Modells.

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In diesem Bezug spricht man von der anomalen Diffusion. In dem Beitrag wird die Modellierung der anomalen Diffusion mit Differentialgleichungen beliebiger (nicht unbedingt ganzzahliger) Ordnung behandelt. Wir beginnen mit der Mikro-Modellierung und leiten als Erstes eine wahr-scheinlichkeitstheoretische Interpretation der anomalen Diffusion von den grundlegenden Zufalls-bewegungsmodellen ab. Dabei wird die Bewegung eines Wasserpartikels im heterogenen Boden als ein Zufallsprozess interpretiert. Die Konzentration des Grundwassers zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort, die Geschwindigkeit der Ausbreitung des Grundwassers und andere für die Praxis wichtigen Charakteristika werden aus der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (WDF) dieses Zufallsprozesses bestimmt.

Im Gegensatz zum klassischen Zufallsbewegungsmodell für die Brownsche Bewegung, basiert das zeitkontinuierliche Zufallsbewegungsmodell (continuous time random walk model oder CTRW-Modell) auf der Idee, dass die Länge eines Sprungs eines sich zufällig bewegenden Par-tikels, genauso wie die Wartezeit, die zwischen zwei aufeinander folgenden Sprüngen vergeht, von einer gemeinsamen WDF, die man die Sprung-WDF nennt, bestimmt wird (s. Abb. 2). Aus der Sprung-WDF können die Sprunglänge-WDF und die Wartezeit-WDF hergeleitet werden.

Die Hauptmerkmale eines CTRM-Prozesses sind die charakteristische Wartezeit und die Sprunglän-genvarianz. Sie können endlich oder unendlich sein und das macht den Unterschied zwischen den CTRW-Prozessen aus. Allgemein werden folgende Fälle unterschieden:

■ Sowohl die charakteristische Wartezeit als auch die Sprunglängenvarianz sind endlich: Brownsche Bewegung (Diffusionsgleichung als deterministisches Modell).

■ Die charakteristische Wartezeit divergiert, die Sprunglängenvarianz ist endlich: Subdif-fusion (Zeit-fraktionelle Diffusionsgleichung als deterministisches Modell).

■ Die charakteristische Wartezeit ist endlich, die Sprunglängenvarianz divergiert: Levy flights (Raum-fraktionelle Diffusionsgleichung als deterministisches Modell).

■ Sowohl die charakteristische Wartezeit als auch die Sprunglängenvarianz sind unend-lich: Levy flights (Raum-Zeit-fraktionelle Diffusionsgleichung als deterministisches Mo-dell).

Es ist bekannt, dass ein CTRW-Prozess durch ein Modell in Form von Integralgleichungen vom Faltungstyp [Met 00] [Luc 12] wie folgt beschrieben werden kann: Wir bezeichnen mit p(x,t) die WDF des Ereignisses, das ein Teilchen gerade an der Position x zur Zeit t ankommt. Dann gelten die Gleichungen

Abb. 2: Verteilung der Wartezeiten zwischen zwei aufeinander folgenden Sprüngen eines diffundieren Partikels (links) und Längen der Sprünge (rechts).

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In den Gleichungen wird mit f(x,t) die Sprung-WDF, die als Produkt der Sprunglänge-WDF l(x) und der Wartezeit-WDF w(t) dargestellt wird, mit p

0(x) die Wahrscheinlichkeit der räumlichen

Startposition des Partikels zum Zeitpunkt t = 0, mit u(x,t) die WDF des Ereignisses, dass sich das Teilchen im räumlichen Punkt x zur Zeit t befindet, und mit P(t) die Wahrscheinlichkeit, dass kein Sprungereignis während des Zeitintervalls (0,t) auftritt, bezeichnet.

Die oben angegebenen Integralgleichungen bilden ein mathematisches Modell für die zeitkon-tinuierlichen Zufallsbewegungsprozesse. Nun transformieren wir dieses Modell in das Frequenz-gebiet durch Anwendung der Fourier und Laplace Transformationen auf die Gleichungen. Durch Gebrauch der bekannten Produkteigenschaften der Fourier und Laplace Transformationen, wenn wir sie entsprechend auf die Fourier und Laplace Faltungen anwenden, können wir aus den Inte-gralgleichungen die Fourier-Laplace-Transformation der Sprung-WDF u(x,t) folgern:

Es kann gezeigt werden (siehe z. B. [Met 00]), dass, wenn sowohl die charakteristische Wartezeit als auch die Sprunglängenvarianz für ein CTRW-Prozess endlich sind, sein Langzeit-Verhalten dem der Brownschen Bewegung entspricht.

Nun besprechen wir einen CTRW-Prozess, für den die charakteristische Wartezeit divergiert, aber die Sprunglängenvarianz endlich bleibt. Dazu wird eine besondere Wartezeit-WDF mit dem asym-ptotischen Verhalten

betrachtet.

Das asymptotische Verhalten ihrer Laplace-Transformation lässt sich durch den Tauberschen Satz bestimmen und ist wie folgt:

Zusammen mit der Gaußschen Sprunglängen-WDF

deren Fourier-Transformation der Relation

genügt, ergeben die letzten Gleichungen die Formel

für das asymptotische Verhalten der Fourier-Laplace-Transformation der Sprung-WDF u(x,t). Durch Anwenden des Tauberschen Satzes für die Laplace- und Fourier-Transformationen kann die letzte Gleichung für große t und |x| in eine Zeit-fraktionelle partielle Differentialgleichung umgewandelt werden. In der Tat, nach Multiplikation mit dem Nenner der rechten Seite, wird die letzte Glei-chung zu

Anwenden des Differentiationstheorems für die Fourier-Transformation und der Laplace-Transfor-mationsregel

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für das fraktionelle Riemann-Liouville-Integral der Ordnung, das durch die Formel

definiert wird, lässt die obere Gleichung in Form einer fraktionellen Integralgleichung

für große t und |x| umschreiben. Durch Anwendung des fraktionellen Differentialoperators kann das CTRW-Modell für große t und |x| in Form des Anfangswertproblems u(x,0) = p

0(x) für die so

genannte Zeit-fraktionelle Diffusionsgleichung

umgeschrieben werden, wo die fraktionelle Ableitung Bspw. im Sinn von Caputo definiert wird (siehe z. B. [Die 10]):

Es ist einer Erwähnung wert, dass die integro-differentiale Natur des fraktionellen Differential-operators in unserem Modell die nicht-Markovsche Art des Subdiffusionsprozesses hervorruft. In der Tat, kann die Laplace-Transformation des mittleren quadratischen Abstandes mit der Formel

berechnet werden. Durch Anwenden der inversen Laplace-Transformation erhalten wir die Formel

für den mittleren quadratischen Abstand, was den CTRW-Prozess als einen anomalen nicht-Markovschen Prozess charakterisiert.

In ähnlicher Weise werden Raum- und Raum-Zeit-fraktionelle Diffusionsmodelle hergeleitet. Für die multi-dimensionalen Erweiterungen dieser Modelle und Analyse ihrer mathematischen Eigen-schaften verweisen wir auf [Luc 10] [Luc 13].

ZusammenfassungWährend des Wasserrecyclingprozesses gelangt das Grundwasser in die Wasserspeicherreser-voirs. Der Grundwasservorrat besteht zum Teil aus dem durch den Boden gefilterten Regenwas-ser. Sollten umweltschädliche Substanzen in das Regenwasser gelangen (bspw. durch Einlösen der auf dem Boden gelagerten Chemikalien, Müll, Produktionsresten oder anderen schädlichen Substanzen), sind zuverlässige Vorhersagen der Qualität des in die Wasserversorgungsreser-voirs gelangten Grundwassers eine wichtige Aufgabe. Insbesondere werden physikalische und mathematische Modelle für die Ausbreitung des Regenwassers im meistens sehr heterogenen Boden benötigt. In diesem Beitrag wird die Modellierung der anomalen Grundwasserdiffusion mit fraktionellen Differentialgleichungen behandelt. Der Startpunkt für die Makro-Modelle ist die Mo-dellierung auf der Mikro-Ebene mit Zufallsbewegungsmodellen, bei denen die Bewegung eines Wasserpartikels im heterogenen Boden als ein Zufallsprozess interpretiert wird.

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Literatur[Ada 92] Adams, E.E., L.W. Gelhar: Field study of dispersion in a heterogeneous aquifer: spatial

moments analysis, Water Resources Research 28 (1992), 3293-3307[Ber 00] Berkowitz, B. et al.: Anomalous transport in laboratory-scale, heterogeneous porous

media, Water Resources Research 36 (2000), 149-158[Die 10] Diethelm, K.: The Analysis of Fractional Differential Equations. An Application Oriented

Exposition Using Operators of Caputo Type. Springer-Verlag, Heidelberg (2010)[Hat 98] Hatano, Y., N. Hatano: Dispersive transport of ions in column experiments: an expla-

nation of long-tailed profiles, Water Resources Research 34 (1998), 1027-1033[Luc 10] Luchko, Yu.: Some uniqueness and existence results for the initial-boundary-value

problems for the generalized time-fractional diffusion equation. Computers and Mathe-matics with Applications 59 (2010), 1766-1772

[Luc 11] Luchko, Yu., A. Punzi: Modeling anomalous heat transport in geothermal reservoirs via fractional diffusion equations. International Journal on Geomathematics 1 (2011), 257-276

[Luc 12] Luchko, Yu.: Anomalous Diffusion: Models, Their Analysis, and Interpretation. Chapter in: Advances in Applied Analysis, Series: Trends in Mathematics, Birkhäuser, Basel, 2012, pp. 115-146

[Luc 13] Luchko, Yu.: Fractional wave equation and damped waves. J. Math. Phys. 54 (2013), 031505

[Met 00] Metzler, R., J. Klafter: The random walk’s guide to anomalous diffusion: a fractional dynamics approach. Physics Reports 339 (2000), 1-77

[Xio 06] Xiong, Y.: Modeling solute transport in one-dimensional homogeneous and heteroge-neous soil columns with continuous time random walk, J. Contaminant Hydrology 86 (2006), 163-175

AbbildungsverzeichnisAbbildung 1: Anomale Diffusion des Grundwassers: Experimentelle Daten vs. Vorhersagen des klassischen Modells.Abbildung 2: Verteilung der Wartezeiten zwischen zwei aufeinander folgenden Sprüngen eines diffundieren Partikels (links) und Längen der Sprünge (rechts).

KontaktProf. Dr. Yuri Luchko

Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich II / Mathematik – Physik – Chemie Luxemburger Straße 10, 13353 Berlin

Telefon: (030) 4504-5295 E-Mail: [email protected] Internet: http://public.beuth-hochschule.de/ ~luchko

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Konzepte der messtechnischen Erkennung sicherheitsrelevanter Defekte an Fundamenten von WindenergieanlagenProf. Dr. Boris Resnik1; Prof. Dr. Tilman Schlenzka2; Norbert Schiefelbein3; Prof. Dr. Dirk Werner4

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Bauingenieur- und Geoinformationswesen2 Beuth Hochschule für Technik Berlin, Fachbereich Maschinenbau, Veranstaltungstechnik, Verfahrenstechnik3 Gesellschaft für Informationsmanagement mbH Berlin (gim)4 Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, Fachbereich Bauingenieurwesen

KurzfassungFür die dynamisch stark beanspruchten WEA-Bauwerke ist eine effektive Qualitätskontrolle von entscheidender Bedeutung. Es ist bekannt, dass gefährliche Defekte im Bereich der Betonfun-damente nicht nur durch äußere Einwirkungen, wie z. B. Temperaturänderungen oder durch zeitabhängiges Materialverhalten, sondern auch durch verdeckte Baumängel und Planungsfehler hervorgerufen werden. Bei der Überprüfung von WEA-Fundamenten wird von den gültigen Richt-linien und Normen sowohl detaillierte Beschreibung und Beurteilung von entstandenen Rissen als auch spezielle Messverfahren empfohlen. In den letzten Jahren wurden von den Autoren sowohl die Möglichkeiten als auch die Grenzen dieser Methoden gezeigt und neue Wege vorge-schlagen.

Abstract

For the dynamically heavy used wind turbines, an effective quality control is of critical impor-tance. It is known that dangerous defects in the foundations of wind turbines not only occur due to external influences such as temperature changes or time-dependent material behaviour, but may also be caused by covert construction defects or design errors. The regular control of wind turbines as well as the detailed description and assessment through special measurement methods is recommended by current guidelines and standards. In the last years, the authors developed both the potential benefits as well as possible limitations of these methods and provided insights on new solutions.

EinleitungWegen immer größeren Ausmaßen von modernen WEA werden ihre tragenden Konstruktionen filigraner und graziler, während ihre Beanspruchungen kontinuierlich zunehmen. Außerdem müs-sen diese Bauwerke in den letzten Jahren immer häufiger an den Stellen errichtet werden, die von ihren natürlichen Voraussetzungen her wenig geeignet sind. Unter diesem Hintergrund hat sich in den letzten Jahren angesichts vermehrt auftretender Fundamentschäden an WEA unter-schiedlicher Hersteller gezeigt, dass im Bereich der Turmeinbindung im Fundament ein spezifi-scher Schwachpunkt der gesamten Bauwerkskonstruktion vorliegt. Ein typisches Schadensbild ist dabei ein halbkreis- oder ein ringförmig um den Turm verlaufender Riss bzw. Abplatzungen an der Oberseite der Fundamente sowie Wassereintritt im Fundamentinneren. Die Ursachen für diese Schäden sind zumeist irregulär große Bewegungen an Fundamenteinbauteilen (FET) der WEA, die z. B. aufgrund verdeckter Baumängel bei der Fundamentherstellung, oder auch durch Planungsfehler hervorgerufen werden. Bisher existiert leider keine zuverlässige statistische Aus-wertung von Fundamentschäden, da diese Informationen von den Herstellern bzw. Betreibern der WEA meistens nicht frei gegeben werden. Die Dunkelziffer von Schäden mit unkalkulierbaren Folgen ist jedoch nach Einschätzung von vielen Experten hoch.

Je früher die Unregelmäßigkeiten und Schäden erkannt werden, desto größer ist das Spektrum von Möglichkeiten, einen ungeplanten Anlagenstillstand und eine teurere Sanierung zu verhin-dern. Durch die rasante Entwicklung der Mikroelektronik, Computertechnik und Kommunikation

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ist es in den letzten Jahren möglich geworden, den aktuellen Zustand gefährdeter Bauwerke auf einem wesentlich höheren technischen Niveau zu kontrollieren. Diese Vorgehensweise hat sich im Maschinenbau unter dem Begriff Condition-Monitoring-Systeme (CMS) und im Bauwesen unter dem Begriff Structural Health Monitoring (SHM) etabliert. Trotz der bekannten Probleme wurde die Anwendung dieser Vorgehensweise bei den WEA-Fundamenten bis jetzt kaum durchgesetzt. „Von modernen Windkraftanlagen stellen Turm und Gründung die bautechnischen Komponenten dar, deren Bedeutung von Maschinenbauern oft unterschätzt wird“ [Gas 11].

Bautechnische Untersuchungen von WEA-FundamentenIm Sinne der aktuellen DIN umfasst die Instandhaltung alle technischen und administrativen Maßnahmen sowie das Management der Maßnahmen, die zur Erkennung des Ist-Zustandes, zur Erhaltung des funktionsfähigen Zustandes, zur Rückführung in diesen und zur Steigerung der Funktionssicherheit während des Lebenszyklus einer Einheit benötigt werden. Entsprechend der gültigen Regelung für die modernen WEA ist auch ihre Gründungs- und Tragstruktur während des Betriebs durch Sachverständige in regelmäßigen Intervallen zu prüfen.

Die sichtbaren Risse auf den Fundamenten sind als erste Zeichen von Deformationsprozessen im Bauwerk zu betrachten [Wer 12]. Genauso wie bei anderen Gründungen dieser Art entstehen sie in den WEA-Fundamenten durch (örtliche) Überschreitung der aufnehmbaren Zugspannung des Betons i.d.R. senkrecht zur Hauptzugspannung. Da die Zugspannungen ohne Risse nicht durch den Stahl aufgenommen werden, sind Risse somit im Stahlbetonbau kaum zu vermeiden. Durch die Risse kann Regenwasser eintreten, welches die Bewehrung angreift. Die Bewehrung korrodiert folglich und die Stabilität wird beeinträchtigt. Zudem kann der Riss durch das Re-genwasser weiter ausgewaschen werden, wodurch noch mehr Bewehrung freigelegt wird. Das in Fundament eingedrungene Wasser vergrößert bei Frost sein Volumen und kann zusätzliche Hohlstellen erzeugen.

Die Analyse von entstandenen Rissen, d.h. ihrer Breite, ihrer Form (Verlauf der Breite längs des Risses), Tiefe, Lage, Alter usw., sind bei den regelmäßigen Untersuchungen von einer sehr großen Bedeutung. Daraus können die ersten Hinweise zur Rissursache gewonnen werden. Ein wichtiger Parameter zur Beurteilung des Fundamentzustandes ist die festgestellte Rissaktivität (zeitliche Veränderung), die durch das messtechnische Dokumentieren bei periodischen Untersu-chungen aber auch einzeln, z. B. mit Dehnungsmessstreifen, erfasst werden können.

Erfassung der Schäden im Inneren der WEA-Fundamente ist wesentlich komplizierter als bei den sichtbaren Rissen. Würde man dabei die zerstörenden Prüfmethoden in Betracht ziehen, müssten mehrere Proben an verschiedenen Stellen des Bauteils entnommen werden, um eine genaue Untersuchung zu ermöglichen. Da die zu prüfenden Anlagen jedoch noch im Betrieb sind, kommen solche Methoden meistens nicht in Betracht. Im Stahlbetonbau werden inzwischen auch verschiedene Methoden zur zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen angewendet, die durch die ständige Weiterentwicklung in den letzten Jahren wesentlich vereinfacht und verbessert wurden. Die Ultraschallmessungen gehören zu solchen Prüfmethoden. Dadurch lassen sich auch die inne-ren Schäden und Materialfehler in den behandelten WEA-Fundamenten frühzeitig, d.h. bevor sie z. B. als Risse an der Oberfläche oder Wasserschäden sichtbar werden, feststellen. Die genaue Kenntnis der Lage und der Ausdehnung von solchen Anomalien in den Fundamenten helfen de-ren Bedeutung für die Sicherheit des Bauwerkes und die zeitliche Entwicklung besser zu beurtei-len. Obwohl dieses Verfahren auf den gleichen Prinzipien wie z. B. in der Medizintechnik beruht, ist es im Bauwesen erst seit einigen Jahren im Einsatz und als Gegenstand der angewandten Forschung zu betrachten.

Die Ultraschallmessung beruht auf dem Prinzip der Schallwellenausbreitung im Material und erfolgt im Niederfrequenzbereich. Ein Impuls wird dabei vom Sender in das Bauteil (Abb. 1) ge-schickt. Der erste Ausschlag auf dem Monitor ist der Übergang in das Bauteil. Sollte der Impuls auf eine Fehlstelle, Riss oder ein Bewehrungseisen treffen, wird dieser wieder reflektiert und

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ein weiter Ausschlag ist auf dem Monitor zu erkennen. Impulse, die ungehindert das Bauteil durchlaufen, werden spätestens an der Rückwand reflektiert, wodurch ein erneuter Ausschlag entsteht. Sollten zu viele Hindernisse im Weg sein (z. B. großer Fehler), erreicht kein Impuls die Rückwand und das entsprechende Echo entfällt. Von den Autoren wird zurzeit die Anwendung des Messsystems MIRA untersucht. Mit diesem Gerät können unterschiedliche Aufgaben im Be-reich der zerstörungsfreien Prüfung von Beton gelöst werden. Die Messung erfolgt mit Ultraschall im Frequenzbereich zwischen 20-100 kHz. Die Prüfköpfe werden über die Griffe des Gerätes an das Bauteil gepresst, wobei über einen Druckkontakt die Ausbreitung der Scherwellen (Trans-versalwellen) ausgelöst wird. Da die Prüfköpfe über trockenen Punktkontakt (Dry-Point-Contact) funktionieren und somit kein Kontaktmittel benötigen, ist eine rückstandslose Messung möglich. In Abhängigkeit von der Materialbeschaffenheit können die Tiefen eines Bauteils bis zu 2,00 m

Abb. 1: Prinzip der Ultraschallmessungen von WEA-Fundamenten

untersucht werden.

Die bereits durchgeführten Testmessungen an unterschiedlichen Windkraftanlagen bestätigen, dass diese Methode erfolgreich zur Begutachtung von Fundamenten dienen kann. Ein inho-mogenes Betongefüge, oder ein anderes Material, führt zu Streuungen, oder Reflektionen der Ultraschallsignale, wodurch auch die Risse schnell erkannt werden können. Die gewonnen Erfahrungen zeigen allerdings auch, dass die Interpretation der gewonnen Erkenntnisse einen gewissen Grad an Erfahrung erfordert und weiter verbessert werden muss.

Überwachung von WEA-Fundamenten im Rahmen der Condition- Monitoring-SystemeDie vorbeugende Überwachung hat sich inzwischen bei allen wichtigen Bestandteilen von moder-nen WEA wie Rotor, Getriebe, Generator, Gondelverstellung usw. zu einem Standard entwickelt und unter dem Begriff Condition-Monitoring-Systeme (CMS) etabliert. Das am häufigsten einge-setzte Diagnosewerkzeug zur Zustandsüberwachung ist die Schwingungsanalyse. Mit ihrer Hilfe können Unregelmäßigkeiten der beteiligten Wellen, Lager und Zahnradstufen frühzeitig und ohne Zerlegung des Antriebsstranges erkannt werden. Eine Kontrolle der Fundamente im Rahmen der CMS ist heutzutage noch nicht üblich, kommt aber nach Meinung der Antragsteller angesichts vermehrt auftretender Schäden in den kommenden Jahren ebenfalls in den Mittelpunkt des Interesses.

Durch die rasante Entwicklung der Mikroelektronik können unterschiedliche Sensoren im Rou-tinebetrieb ohne einen Bediener auskommen und automatisch Messwerte mit hohen Abtastfre-

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quenzen liefern. Das Problem bei der Auswahl eines Messsystems bzw. Verfahrens liegt dabei folglich lediglich darin, eine adäquate, der Problemstellung angepasste, den Anforderungen an die Genauigkeit erfüllende und zugleich kostengünstige Lösung zu finden. Für die Beurteilung, des in diesem Beitrag behandelten Bauwerkszustandes, soll vor allem die Frage beantwortet werden, ob der Turm der WEA fest im Fundament eingebunden ist. Die Lösung dieser Aufgabe kann mit unterschiedlichen messtechnischen Mitteln erreicht werden.

Abb. 2: Prinzip der Messungen im Rahmen der Condition-Monitoring-Systeme

Es ist bekannt, dass die schlanken Bauwerke wie Türme von WEA mit niedrigen Eigenfrequen-zen bei geringer Dämpfung, aufgrund natürlicher Anregungsquellen, wie Wind oder Betrieb, in Schwingungen mit einer relativ großen Amplitude versetzt werden können. Nach der Meinung der Autoren ist es möglich, durch eine dauerhafte messtechnische Erfassung der dynamischen Charakteristik von diesen „üblichen“ Schwingungen am Fundament und Turm den Zustand der Verbindung zwischen beiden zu beurteilen und kritische Änderungen frühzeitig zu detektieren (Abb. 2). Für solche Anwendungen wird das Messsystem aus mehreren Beschleunigungsaufneh-mern innerhalb des Turms fest eingebaut und mit dem zentralen Prozessor der WEA verbun-den [Res 13]. Als Ergebnis erhält man die bestimmten dynamischen Parameter (Kennwerte) wie z. B. Verhältnis von Amplituden, oder auch den ermittelten Dämpfungskoeffizienten bei den vordefinierten Eigenfrequenzen, die in Echtzeit im Sinne der Kategorien „gut“ und „sicherheits-kritisch“ klassifiziert werden. Zeigen sich in den Ergebnissen der permanenten Überwachung außergewöhnliche und signifikante Verschiebungen, so können deren Ursachen genauer, u.a. mit den oben genannten Methoden untersucht sowie entsprechende Korrekturmaßnahmen, ergriffen werden.

Zusammenfassung Wie alle komplizierten Ingenieurbauwerke unterliegen auch die modernen WEA einem hohen Schadensrisiko. Da viele WEA im kommenden Jahrzehnt das Ende ihrer geplanten Lebensdauer erreichen, werden Kompetenzen in den Bereichen der Lebensdauerproblematik immer stärker zu einem wichtigen nationalen und internationalen Wettbewerbsfaktor. Während die Notwendigkeit von regelmäßigen Untersuchungen prinzipiell eine wachsende Akzeptanz bei Herstellern und Betreibern findet, wurden Einbeziehung von technischen Mitteln sowie die Möglichkeiten von kontinuierlichen Messungen im Rahmen von Condition-Monitoring-Systemen (CMS) in diesem Bereich kaum untersucht. Hauptgründe dafür sind die benötigten umfangreichen Investitionen

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KontaktProf. Dr.-Ing. Boris Resnik

Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich III / Bauingenieur- und Geoinformationswesen Luxemburger Straße 10, 13353 Berlin

Telefon: (030) 4504-2596 E-Mail: [email protected] Internet: http://prof.beuth-hochschule.de/resnik

Prof. Dr.-Ing. Dirk Werner



Internet: www.ifaf-berlin.de/projekte/wesafe

in der Entwicklungsphase und die Notwendigkeit einer intensiven interdisziplinären Forschungs-arbeit. Anhand der inzwischen gewonnen Erkenntnisse wollen die Autoren in den kommenden Jahren das vorhandene Forschungspotenzial ihrer Hochschulen mit den langjährigen Erfahrungen des kooperierenden Ingenieurbüros bündeln. Somit können alle Ansätze auf einem hohen wis-senschaftlichen Niveau realisiert und anschließend auf ihre unmittelbare Praxistauglichkeit hin überprüft werden.

Literatur[Gas 11] Gasch, R. & Twele, J. (Hrsg.): Windenkraftanlagen. Grundlagen, Entwurf, Planung und

Betrieb. Verlag Vieweg Teubner, 2011

[Res 13] Resnik B. & Schiefelbein N. (2013): Frühzeitige Erkennung sicherheitsrelevanter Defek-te an Fundamenteinbauteilen von Windenergieanlagen. In: Hanke/Weinold (Hrsg) 17. Internationale Geodätische Woche, Wichmann Verlag, Heidelberg

[Wer 12] Werner D. (2012): Ursachen und Sanierung von Schäden an Windenergieanlagen – Einige Praxisbeispiele zu Fundamenten. VDI-Konferenz Hamburg. Vortrag, 2012


Abbildung 1: Prinzip der Ultraschalmessungen von WEA-Fundamenten

Abbildung 2: Prinzip der Messungen im Rahmen der Condition-Monitoring-Systeme

Gefördert durch:

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Anwendungserfahrungen und Zukunftsperspektiven des Geodateneinsatzes im Facility Management des Botanischen Gartens BerlinProf. Dr. Petra Sauer1; Prof. Dr.-Ing. Markus Krämer2

1 Beuth Hochschule für Technik Berlin 2 Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin

Kurzfassung

Die Nutzung von Geodaten und Building Information Modeling (BIM) im Facility Management (FM) verspricht signifikante wirtschaftliche Vorteile. Dieser Beitrag zeigt wesentliche Nutzenpo-tentiale der Verwendung von Geografischen Informationssystemen (GIS) und BIM im FM des Bo-tanischen Gartens Berlin. Die Implementierung ausgewählter Anwendungsfälle wird anhand von thematischen Karten sowie über ein flexibles Anfragetool und den mobilen Zugriff auf die Daten über eine mobile App vorgestellt. Abschließend wird ein Ausblick der Nutzung der Ergebnisse innerhalb von Smart Cities gegeben.

Abstract

The usage of geographic data and Building Information Modeling (BIM) in Facility Management (FM) promises significant economic benefits, however their application in practice is still rare. This submission shows significant benefits of Geographic Information Systems (GIS) and BIM application in FM for Botanic Garden Berlin. The implementation of selected use cases is shown using topic based maps. Furthermore a flexible query tool and a way to access the data using mobile apps are explained. Finally an outlook to use these results on a broader scope within Smart Cities is given.

EinleitungFür die nachhaltige, möglichst proaktive Bewirtschaftung von Gebäuden und Liegenschaften sind für das Facility Management (FM) flächen- und raumbezogene Daten bedeutsam. Diese liegen oftmals in isolierten Systemen vor und sind mit den FM-Daten kaum integriert. Einen Ansatz einer virtuellen Integration von Geodaten und FM-Daten verfolgte das Forschungsprojekt ArcoFa-Ma, dessen Anwendungserfahrungen in diesem Beitrag skizziert werden. Als Anwendungspartner fungierte der Botanische Garten Berlin.

AusgangssituationIn Liegenschaften mit umfangreicheren Außenanlagen, Gärten oder Parks werden heute die ver-fügbaren Geodaten zu technischen aber auch gartenbaulichen oder Pflanzenobjekten typischer-weise in Geodatenbanken oder Geografischen Informationssystemen (GIS) gehalten. Für die Verwaltung der Stammdaten zu technischen Objekten der Bewirtschaftung haben bereits häufig Computer Aided Facility Management (CAFM) Systeme die sonst weitverbreiteten Office Anwen-dungen ersetzt. Trotz der vorhandenen Überschneidungen der verwalteten Daten ist das Geoda-tenmanagement vom Management der FM-Daten getrennt und GIS und CAFM-Systeme sind meist nicht oder nur für spezielle Lösungen integriert.

Im Forschungsprojekt ArcoFaMa1 wurde eine Integrationsplattform für die gemeinsame Verarbei-tung von Geo- und FM-Daten entwickelt. Die Zusammenführung der Daten ist dort als virtuelle Integration realisiert, indem die Metadaten der zu integrierenden Datenquellen in einer einheit-lichen Datenbank verwaltet werden, die eigentlichen Nutzdaten aber nicht bewegt oder kopiert

1 Vgl. http://www.arcofama.de/

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werden (vgl. [Sau 14]). Als Metadatenspeicher wird mit Neo4J2 eine Graphdatenbank genutzt, die besonders gut geeignet ist, vernetzte Beziehungen zu verwalten und sehr gute Antwortzeiten für Anfragen auf auch umfangreichen Netzwerken zu garantieren. Das Knoten-Kanten-Modell der zu verwaltenden Metadaten, im Weiteren als Metadatengraph bezeichnet, wurde zunächst nur aus Metadaten relationaler Datenbanken erzeugt. Um besonders effizient isolierte Datenquellen integrieren zu können, die über Geodaten verfügen, wurden im Metadatengraph zusätzlich be-schreibende Daten zu Geometrien aufgenommen, wie beispielsweise Informationen zur „Boun-ding Box“ der jeweiligen Datenquelle oder auch zum geografischen Bezugssystem. Als weitere Ergänzung können über die Integrationsplattform auch Webservices integriert und mit den wei-teren Datenquellen verknüpft werden.

Die im Beitrag von [Krä 13] skizzierte Systemarchitektur und Infrastruktur der Integrationsplatt-form ist somit umgesetzt. Am Beispiel ausgewählter Datenbestände des Botanischen Gartens wurde die Verknüpfung realisiert. Im vorliegenden Beitrag sollen einige Anwendungsfälle vorge-stellt werden, die die Integrationsplattform nutzen, und der daraus resultierende Mehrwert für den Botanischen Garten aufgezeigt werden.

AnwendungsfälleDie im Folgenden beschriebenen prototypischen Anwendungsfälle für die einfache Nutzung von georeferenzierten FM-Objekten basieren auf einem umfangreichen Katalog von Anwendungs-fällen von Geodaten im FM, der ebenfalls im Projekt erarbeitet worden ist. Für die eigentliche Umsetzung der Anwendungsfälle sind im Wesentlichen zwei Techniken eingesetzt worden. Zum einen wurden über sogenannte „Thematische Karten“, die problemlos über den Web-Browser aufgerufen werden können, Fachdaten mit bewirtschaftungs relevanten Objekten im Kontext von Kartenmaterial des Botanischen Kartens dargestellt. Dabei wurde die jeweilige Anwendungslogik zur Bedienung über die im Browser dargestellte Karte bereitgestellt. Zum anderen erfolgte mit Hilfe der über die ArcoFaMa-Integrations plattform verfügbaren Web-Services die Integration in andere Anwendungssysteme des Botanischen Gartens. Hier wurde im Projekt das CAFM-System Wave Facilities der Firma Loy und Hutz über Add-on-Programmierung um den Zugriff auf die geo-referenzierten Daten erweitert [Krä 14]. Diese Technik wurde ebenfalls für die Realisierung des mobilen Zugriffs mit Hilfe von mobilen „Apps“ sowie für ein flexibles Abfrageinstrument verwen-det, die folgend in diesem Beitrag ausgeführt werden.

Thematische Karten

Für die mit ersterer Technik realisierten Anwendungsfälle seien beispielhaft die folgenden The-matischen Karten aufgeführt:

■ Thematische Karte „Wartungs-/ Instandhaltungsaufträge“■ Thematische Karte „Be- und Entwässerungssystem“■ Thematische Karte „Positionsermittlung von Besuchern im Garten“■ Thematische Karte „Baumpflege“■ Thematische Karte „Integration von Building Information Models (BIM, Indoor-Objekte)“

Die Thematische Karte „Wartungs-/ Instandhaltungsaufträge“ in Abb. 1 wurde für die Umsetzung des Pilotprozesses „Wartungsplanung im FM“ realisiert. Die Karte kann beispielsweise im Rah-men der Bearbeitung von Wartungsaufträgen durch ein externes Dienstleistungsunternehmen, aber auch von internen FM-Mitarbeitern eingesetzt werden. So ist es möglich zu einem kon-kreten Instandhaltungsauftrag durch Eingabe einer Auftragsnummer im Web-Browser eine Liste der zugehörigen Objekte mit der Lage im Botanischen Garten angezeigt zu bekommen. Die Karte ist ebenfalls ein gutes Beispiel für die zweite angewendete Integrationstechnik, da diese Karte auch direkt über das Add-On des CAFM-Systems aus der Wartungsplanungsfunktion auf-

2 Vgl. http://www.neo4j.com/

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gerufen werden kann. Hier wird die Umkreissuche der ArcoFaMa-Integrationsplattform genutzt, um Instandhaltungsobjekte zu identifizieren, die aufgrund der räumlichen Lage in den Auftrag integriert werden können.

Abb. 1: Browserzugriff auf Aufträge über die ArcoFaMa Integrationsplattform

Abb. 2: Be- und Entwässerungssystem im Botanischen Garten Berlin

Die Thematische Karte „Be- und Entwässerungssystem“ in Abb. 2 zeigt neben Hydranten, Ven-tilen und Revisionsschächten auch den Leitungsverlauf des z.T. bereits im ausgehenden 19. Jahrhundert angelegten Be- und Entwässerungssystems des Botanischen Gartens. Bisher waren diese Informationen auf mehrere CAD-Zeichnungen verteilt, die nur ausgewählten Mitarbeitern über die entsprechenden CAD-Systeme zugänglich waren. Die Karte ermöglicht im Garten „ver-steckte“ Objekte auf der Karte zu finden und ggf. durch den Aufruf hinterlegter Fotos an den jeweiligen Geokoordinaten zu lokalisieren. Sie kann auch im Rahmen von Havarie-Situationen, wie beispielsweise einem Rohrbruch, genutzt werden, um Absperrventile zeitnah aufzufinden, bzw. Auswirkungen der Havarie besser abzuschätzen. Darüber hinaus zeigt Abb. 2 die flexiblen Darstellungsmöglichkeiten dieser thematischen Karten. Hier wurde beispielsweise zusätzliches Kartenmaterial hinterlegt.

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Abschließend sei hier noch auf die Thematische Karte „Integration von Building Information Models (BIM, Indoor-Objekte)“ verwiesen. Mit dieser Thematischen Karte wurde prototypisch die Integration von Geodaten mit Gebäudeinformationsmodellen vollzogen. Sie ermöglicht über die im nächsten Abschnitt dargestellte flexible Suche, technische Objekte im Außenbereich des Gar-tens und gleichzeitig auch innerhalb von Gebäuden zu lokalisieren. Als Beispiel lassen sich auch hier Hydranten nennen, die im Brandfall von der Feuerwehr außerhalb oder eben auch innerhalb des Gebäudes gefunden werden müssen. Zu diesem Zweck wurde ein Gebäudeinformations-modell auf Basis des IFC-Standards als weitere Datenquelle der ArcoFaMa-Integrationsplattform angeschlossen.

Flexible Abfrageinstrumente

Für die flexible Verarbeitung von Anfragen auf dem durch die ArcoFaMa-Plattform integrierten Datenbestand wurde eine innovative Nutzerschnittstelle entwickelt, die es erlaubt, Datenbestän-de unterschiedlicher Art über die gleiche Oberfläche zu durchsuchen. Beispielsweise können über diese Nutzerschnittstelle sowohl Informationen zu Hydranten in einem bestimmten Bereich des Botanischen Gartens und deren Kenndaten wie auch Informationen zu Pflanzen verfügbar gemacht werden. Wenn für die angefragten Objekte Geodaten zur Verfügung stehen, werden diese innerhalb einer Kartendarstellung zusätzlich angezeigt, wie in Abb. 3 ersichtlich. Durch ein „2-Way-Data-Binding“ wird garantiert, dass Änderungen an den Daten oder auch deren Vi-sualisierungskomponenten aufeinander bezogen und konsistent gehalten werden, so dass die Kartendarstellung immer mit der tabellarischen Übersicht synchronisiert ist.

Durch diese Nutzerschnittstelle kommen erst die signifikanten Vorteile der virtuellen Integration der Datenbestände für den Nutzer richtig zum Tragen. Es ist darüber möglich, ohne Kenntnis der zur Verfügung stehenden, dynamisch integrierten Datenquellen, Anfragen zu positionieren. An-frageergebnisse werden dynamisch erzeugt, indem der zum Zeitpunkt der Anfrage zur Verfügung stehende Metadatengraph nach vorhandenen Webservices angefragt wird. Diese werden dann nach festgelegten Kriterien ausgewählt und ausgeführt. Da in den Metadatengraph dynamisch

Abb. 3: Flexible Nutzerschnittstelle zur Datenabfrage

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Datenquellen aufgenommen werden können, ist das Anfrageergebnis immer ein Snapshot und Resultat der aktuell integrierten Datenquellen. So wird beispielsweise die Suche nach einer Was-serentnahmestelle automatisch auf drei angeschlossene Datenquellen ausgeführt, deren Daten über den Metagraph verknüpft sind: die technischen Fachdaten im CAFM-System, die Geopositi-on in der Geodatenbank für den Außenbereich sowie auf die integrierten Gebäudeinformations-modelle (ggf. Building Information Models) für den Innenbereich von Gebäuden.

Die Nutzerschnittstelle wurde bewusst als minimalistisches Formular ausgeführt und stellt sich damit hochspezialisierten, teilweise tief geschachtelten und detaillierten Suchformularen entgegen. Entwickelt wurde eine „Single Page Webapplikation“, die ohne weitere zusätzliche Browserplugins auskommt. Kernbestandteil der Schnittstelle ist der QueryManager, der Anfrage-ergebnisse auf dem Metadatengraphen parst. JQueryTokeninput wird zur Verarbeitung der vom QueryManager erzeugten Objekte genutzt. Mit dem Framework AngularJS wurde die dynamische Webapplikation umgesetzt und über die Leaflet-Directive die Darstellung der Geodaten realisiert.

Mobiler Zugriff

Als weiterer Anwendungsfall der Integrationsplattform wurde ein Prototyp eines mobilen Besu-cherinformationssystems auf Basis von Android entwickelt. Auch hierfür konnte das Potenzial der Integrationsplattform sehr gut genutzt werden. Die integrierten Datenquellen werden über eine mobile, kontextsensitive App Besuchern des Botanischen Gartens verfügbar gemacht. Zielstel-lung war es dabei zu zeigen, wie Informationen aus unterschiedlichsten Datenquellen integriert visualisiert werden können. Neben den im Metadatengraph integrierten Datenquellen wurden externe Webservices verarbeitet, die beispielsweise vom Botanischen Garten selbst angeboten werden, wie beispielsweise der Veranstaltungskalender und die Öffnungszeiten. Damit kann die App sowohl allgemeine Informationen rund um den Botanischen Garten Berlin verfügbar machen, wie auch ein Durchsuchen von Datenquellen zu Pflanzen und bei konsequenter Fort-führung dieser Idee auch von Datenquellen zu technischen Objekten wie Hydranten und Feu-erlöschern bei entsprechender Berechtigung der Nutzer. Neben der Verfügbarmachung dieser Informationen, die auf dem im linken Teil von Abb. 4 gezeigten Screenshot zu sehen sind, wer-den auch kartenbasierte Dienste zum Verorten der gefundenen (Pflanzen-)Objekte genutzt und eine Kartendarstellung angeboten.

Abb. 4: Mobiles, kontextsensitives Besucherinformationssystem

Als zusätzlichen, geodatenbasierten Dienst bietet die App eine Routenplanung an. In Abhängigkeit von der Position des Nutzers der App wird der kürzeste Weg zum jeweiligen Objekt auf dem Gelände-Wegenetz berechnet und auf einer Karte visualisiert. Dazu wird die Google Directions API genutzt. Ein Beispiel eines Routings zu einem Pflanzenstandort ist im rechten Screenshot von Abb. 4 gezeigt. Auf Basis von FM-Datenquellen wird für Mit-arbeiter des Botanischen Gartens gleichermaßen ein Routing zu technischen Objekten in Abhängigkeit von der Nutzerposition re-alisiert. Ausgehend von den verfügbaren Geodaten zu Pflanzen wird ebenfalls in Form einer Kartenanwendung der sog. Jahres-zeitenpfad des Botanischen Gartens angeboten.

Damit konnte gezeigt werden, dass die ArcoFaMa-Integrations-plattform sowohl für ein mobiles FM als auch für mobile Besu-cherinformationssysteme sehr gut eingesetzt werden kann.

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KontaktProf. Dr. Petra Sauer



Prof. Dr. Markus Krämer



Internet: http://www.ifaf-berlin.de/projekte/arcofama

ZusammenfassungIm Beitrag wurde gezeigt, wie über eine Integrationsplattform autonome Datenquellen flexibel integriert werden können, ohne diese redundant halten und eine Zeitverzögerung durch Aufbe-reitungsprozesse akzeptieren zu müssen. Die umgesetzten Anwendungsfälle zeigen, dass Geodaten im FM genauso einfach genutzt wer-den können, wie im privaten Bereich über Smartphones oder Navigationssysteme. Die Perspek-tive eines mobilen FM zeichnet sich ab. Eine weitere Entwicklungsrichtung mit Blick auf die Stadt der Zukunft (Smart Cities) ergibt sich, wenn man den Nutzerkreis, der bisher auf Mitarbeiter des Botanischen Gartens und Dienstleis-tungsunternehmen beschränkt ist, auf Gartenbesucher oder Projekt- und Stadtentwickler sowie Fachplanungsingenieure erweitert. Informationen der Bewirtschaftung einer Liegenschaft können im Kontext größerer Einheiten optimiert und ggf. öffentlichkeitswirksam zur Verfügung gestellt werden. Hierfür ist allerdings noch Einiges an Forschungs- und Entwicklungsleistung nötig.

Literatur[Krä 13] Krämer, Markus; Sauer, Petra: Integration von Geodaten und Daten des Facility Ma-

nagements zur Verbesserung der Liegenschaftsverwaltung. In: Angewandte Forschung zur Stadt der Zukunft, Logos Verlag Berlin, S. 49 – 52, ISBN: 978-3-8325-3352-6

[Krä 14] Krämer, Markus; Peris, Benjamin; Sauer, Petra: Einsatz von Geoinformationen und Buil-ding Information Models im Facility Management am Beispiel des Botanischen Gartens Berlin. In: facilitymanagement, S. 291-301, VDE Verlag, Berlin, Offenbach, 2014, ISBN 978-3-8007-3576-1, ISSN 2191-4877, 2191-4885

[Sau 14] Sauer, Petra; Herrmann, Frank; Matusewicz, Jan: Virtuelle Integration von Datenquellen mit einer Graph-Datenbank. Fossgis2014, Berlin, 2014, S. 11 – 14, ISBN 978-3-00-045037-2

AbbildungsverzeichnisAbbildung 1: Browserzugriff auf Aufträge über die ArcoFaMa IntegrationsplattformAbbildung 2: Be- und Entwässerungssystem im Botanischen Garten BerlinAbbildung 3: Flexible Nutzerschnittstelle zur DatenabfrageAbbildung 4: Mobiles, kontextsensitives Besucherinformationssystem

Gefördert durch:

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Urbane Komplexität verstehen – Das Institut für angewandte Forschung Urbane ZukunftDipl.-Ing. Christina Schade1; Prof. Dr. Marian Dörk1; Katrin Glinka, M. A.1; Dipl.-Geol. Matthias Hauf1; Prof. Dr. Harald Mieg1; Prof. Dr.-Ing. Michael Prytula1; Jens Rauenbusch1; Prof. Dr. Tobias Schröder1

1 Fachhochschule Potsdam, IaF Urbane Zukunft

Kurzfassung

Die Komplexität urbaner Prozesse, gesellschaftlicher Dynamik und digitaler Informationsräume erfordert einen inter- und transdisziplinären Zugang in Forschung, Lehre und Praxis. Zur Erarbei-tung von Lösungen für eine nachhaltige Transformation unserer Städte und Gemeinden hat die FH Potsdam das Institut für angewandte Forschung Urbane Zukunft gegründet: Fachbereichs-übergreifend und praxisnah werden hier Fragestellungen bearbeitet und in die Lehre integriert.

Abstract

The complexity of urban processes, social dynamics and digital information spaces requires an inter- and transdisciplinary approach to research, teaching and practice. To develop viable solutions for a sustainable transformation of our cities and regions, the Potsdam University of Applied Sciences has founded the Institute for Urban Futures, where research questions are developed across disciplines, pursued with a practical orientation, and are integrated into innovative teaching.

Einleitung Wie leben wir in Zukunft? Unsere Gesellschaft und Städte befinden sich in einem starken de-mographischen, ökologischen, infrastrukturellen und ökonomischen Strukturwandel. Die sozial-ökologische Transformation ist eine der zentralen Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt und für die es keine einfachen Lösungen gibt. Die FH Potsdam hat daher das Institut für an-gewandte Forschung (IaF) Urbane Zukunft gegründet, um innovative Lösungsansätze in diesem Themenbereich zu entwickeln.

Das Institut für angewandte Forschung Urbane ZukunftDie Gründung des Instituts im April 2014 erfolgte mit dem Anspruch, durch angewandte For-schung aktiv die Zukunft mitzugestalten und hierbei auf die Stärken und Potenziale einer fach-bereichsübergreifenden, interdisziplinären Wissenschaft zurückzugreifen. Dafür wurden an der FH Potsdam zuvor bereits drei neue Forschungsprofessoren berufen, die sich aus den verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen Architektur, Sozial- und Verhaltenswissenschaften und Informatik her-aus mit diesem Themenfeld beschäftigen: Ressourcenoptimiertes und klimaangepasstes Bauen, nachhaltige urbane Entwicklungsstrategien sowie Information und Visualisierung.

Das Besondere am IaF Urbane Zukunft ist dabei die enge Verankerung von Praxis in Forschung und Lehre: In Zusammenarbeit mit den fünf Fachbereichen der Hochschule werden inter- und transdisziplinäre Fragestellungen urbaner Entwicklungen aufgegriffen, in Forschungsprojekten mit externen Partnern bearbeitet und in die Lehre integriert. Dazu werden Partnerschaften mit außeruniversitären Forschungseinrichtungen, Planungsbüros, Unternehmen und anderen Insti-tutionen aus der Praxis geschlossen, Entscheidungsträger_innen aus Politik, Verwaltung und Zivilgesellschaft frühzeitig in Projekte eingebunden und neue Formate des forschenden Lernens und Lehrens im Curriculum der Studierenden etabliert.

Das IaF Urbane Zukunft versteht sich als eine innovative Netzwerkstruktur, durch die Aktivitäten aus Forschung und Entwicklung (FuE) gestärkt und nachhaltig mit der Praxis verbunden werden.

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Gleichzeitig will die FH Potsdam mit einer Profilschärfung als Partner für FuE-Vorhaben sichtba-rer werden und arbeitet mit etablierten, aber auch unkonventionellen Akteuren wie NGOs oder Bürgerinitiativen zusammen. Wissenschaftliche sowie praxisrelevante Erkenntnisse aus den Ko-operationen können somit unmittelbar in die Ausbildung zukünftiger Entscheidungsträger_innen einfließen. Außerdem wird die forschende Beteiligung von Bürger_innen und anderen externen Partner_innen im Sinne einer ‚Citizen Science’ etabliert.

Städte als komplexe Systeme verstehen Es ist unsere Absicht, die Komplexität urbaner Prozesse, gesellschaftlicher Dynamik und digitaler Informationsräume besser zu verstehen und darauf aufbauend Vorschläge für eine nachhaltige urbane Entwicklung in den Handlungsfeldern Bauen und Wohnen, Mobilität und Verkehr sowie Bildung, Demografie, Kultur und Sozialstruktur aufzuzeigen. Dafür gilt es, die Facetten des kom-plexen Phänomens Stadt und deren regionale Wechselwirkungen begreifbar zu machen, mögli-che Szenarien zu Transformationsprozessen aufzuzeigen und relevante Akteure zu aktivieren und zu vernetzen. Wir untersuchen unter anderem Fragestellungen zu urbanen Transformationspro-zessen und deren sektorspezifische und methodische Verknüpfungen, Auslöser für die Emergenz neuer Prozesse sowie tragfähige Formen der Netzwerkbildung und Selbstorganisation.

Dies geschieht z. B. in Forschungsprojekten wie der Entwicklung des ‚InnoMind-Simulationsmo-dells zur Modellierung von Innovationsprozessen’1 , dem ‚Urban Complexity Lab’ zur Visualisie-rung urbaner Prozesse (uclab.fh-potsdam.de) sowie interdisziplinären und forschungsorientierten Lehrveranstaltungen wie ‚Nachhaltige Quartiersentwicklung’ oder ‚Zukunft der Mobilität’. Zudem werden in Kooperation mit anderen wissenschaftlichen Hochschulen mehrere Promotionen bear-beitet, die sich auf innovative Lehrformate, die Visualisierung von kulturellen Sammlungen und partizipative Stadtteilaufwertung konzentrieren. Weitere Projektvorschläge sind in Entwicklung, die sich mit Fragestellungen des kommunalen Transition-Managements, der nutzerfreundlichen Einbindung von Informations- und Kommunikationstechnologie in Smart Cities-Ansätzen sowie der Optimierung des urbanen Metabolismus2 befassen.

Orientierungswissen für die Zukunft schaffen Grundlage für gesellschaftliche Entscheidungsprozesse sind gemeinsam getragene Leitbilder (‚Visionen urbaner Zukünfte’), die wir zusammen mit den Handelnden entwickeln, kritisch hin-terfragen und weiterentwickeln. Darauf aufbauend werden modell- und datenbasierte Zukunfts-szenarien erarbeitet, diskutiert und zur Wahl gestellt. Die Unterstützung von akteurszentrierten, szenariogestützten Entscheidungsprozessen sehen wir als eine unserer zentralen Forschungsauf-gaben an.

Eine Schlüsselkompetenz hierbei ist die Informationsvisualisierung mit ihren Potenzialen für die Kommunikation und Vermittlung von wissenschaftlichen Erkenntnissen, um Wissenschaft-ler_innen wie Laien ein übergreifendes Verständnis der komplexen Sachverhalte zu ermöglichen. Hinsichtlich der Entwicklung von Szenarien bauen wir derzeit eine Forschungsgruppe für ‚Urban Systems Modeling’ auf, in welcher die vorhandenen Kompetenzen für die Modellierung von kybernetischen Gebäude- und Quartiersmodellen, komplexen Verkehrsmodellen, Energie- und Stoffströmen sowie Personenkonstellationen und sozialen Infrastrukturen gebündelt werden. Dadurch soll ein Planungsansatz entwickelt werden, der durch einfach anwendbare Methoden und Werkzeuge sowohl technische Aspekte des Ressourcenmanagements als auch städtische Interaktionsphänomene wie Milieubildung, Segregation oder Innovationsdiffusion berücksichtigt (siehe Abb.1).

1 Vgl. Wolf et al, 2014.2 Vgl. Prytula, 2010.

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Fokus auf Wissenstransfer in die kommunale Praxis Die Integration und die Verknüpfung vielfältiger Handlungsbereiche wie der energetische Stadt-umbau, Umsetzung von Anpassungsmaßnahmen an demographische Veränderungen, an die Folgen des Klimawandels oder der Umgang mit ‚Big Data’ und Ausbau von Informations- und Kommunikationstechnologien bedürfen einer stärkeren Einbeziehung inter- und transdiszipli-närer Perspektiven in die städtische und regionale Entwicklungsplanung. Insbesondere in der Vielzahl der Klein- und Mittelstädte steht diese zunehmende Planungskomplexität im Gegensatz zu einer oftmals sehr eingeschränkten ökonomischen Haushaltslage mit zunehmendem Perso-nalabbau in den Verwaltungen. Zur Bewältigung der immer komplexeren Aufgaben besteht daher hier ein großer Bedarf verständlicher Planungsmethodologien und Instrumente für die praktische Umsetzung. Deshalb arbeitet das IaF Urbane Zukunft bereits in der Vorbereitungsphase neuer Forschungsprojekte gemeinsam mit Entscheidungsträger_innen aus Politik, Verwaltung und Zi-vilgesellschaft an Strategien und Methodologien, um in akteurszentrierten Ansätzen und Realla-boren unter Einbezug von bereits vorhandenem Handlungswissen bedarfsgerechte Lösungen für eine nachhaltige Stadtentwicklungsplanung zu entwickeln.

Kompetenz im Umgang mit den Grenzen des Wissens entwickeln Der Umgang mit ungewisser Zukunft ist eine zentrale Herausforderung in urbanen Transforma-tionsprozessen. Durch die wissenschaftliche Begleitung in Konzipierung und Umsetzung situati-onsangepasster Entwicklungsstrategien können ergriffene Maßnahmen zeitnah ausgewertet und die Ergebnisse unmittelbar im Rahmen von Politikberatung nutzbar gemacht werden. Dadurch

Abb. 1: Generisches Modell für die Entwicklung szenariogestützter Entscheidungsprozesse

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wird ein Erkenntniszirkel etabliert, bei welchem in angewandten Forschungsprojekten Maßnah-men, Szenarien und Prognosen entwickelt, in ihrer Effektivität überprüft und an Praxiserforder-nisse angepasst werden. Die Erkenntnisse werden in Lehre und Forschung zurückgespielt, um die Theoriebildung voranzutreiben und neue Projektideen zu erzeugen.

Lehrende Forschung – Forschendes Lernen FL2 Die FH Potsdam legt großen Wert auf die Verbindung von Praxis, Forschung und Lehre. Mit dem Konzept ‚Lehrende Forschung – Forschendes Lernen’ werden anwendungsorientierte, praxisun-terstützte Forschungsinhalte und Forschungsaufgaben als elementare Bestandteile in den Lehr-betrieb eingebunden und nachhaltig im Curriculum der Studierenden verankert.

Neben klassischen Lehrformaten werden auch selbstorganisierte Formate für Projektgruppenar-beit und forschendes Lernen angeboten. Letzteres wird durch die bereits an der FH Potsdam etablierten Formate InterFlex und FL2 sichergestellt. Dabei beteiligen sich Studierende aktiv und interdisziplinär an laufenden Forschungsaktivitäten der Fachhochschule und führen eigene Projekte durch. So erwerben sie wichtige Schlüsselkompetenzen für heutige Berufe. Neben der Fähigkeit zum wissenschaftlichen Arbeiten werden Projektmanagementkompetenz gefördert und interdisziplinäres Denken trainiert. Im Jahr 2009 wurde die FH Potsdam innerhalb des Bundes-wettbewerbs ‚Exzellente Lehre’ für das InterFlex-Konzept ausgezeichnet und gefördert.

Parallel zu diesen Aktivitäten wird zurzeit ein interdisziplinärer Masterstudiengang mit dem Arbeitstitel ‚Urbane Zukunft’ entwickelt. Dieser zielt auf eine Verbindung von technik- und naturwissenschaftlichen Bereichen mit kultur- und sozialwissenschaftlichen und künstlerisch-gestalterischen Aspekten. Im Rahmen des forschungsorientierten Masterstudiengangs sollen die Studierenden Visionen urbaner Zukünfte entwickeln und anhand realer Projekte und Fallstudien auf deren Machbarkeit untersuchen. Am Lehrangebot beteiligen sich alle fünf Fachbereiche der FH Potsdam: Architektur und Städtebau, Bauingenieurwesen, Design, Informationswissenschaf-ten und Sozialwesen.

Aufbau und Einbettung des IaF ist in Abb.2 dargestellt.

Abb. 2: Struktur und Einbettung des IaF

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Kompetenzen am Institut Das Institut vereint Kompetenzen eines interdisziplinären Teams aus wissenschaftlichen Mitarbei-ter_innen, Doktorand_innen, studentischen Hilfskräften und Personal des zentralen FuE-Manage-ments. Weiterführende Informationen über das Institut und aktuelle Aktivitäten in Forschung und Lehre finden sich unter www.fh-potsdam.de/forschen/urbane-zukunft.

Prof. Dr. Marian Dörk befasst sich im Rahmen seiner Forschungsprofessur für Information und Visualisierung insbesondere mit der Entwicklung neuartiger Visualisierungen, die einen explo-rativen Zugang zu komplexen Daten ermöglichen. Marian Dörk hat von 2008 bis 2012 an der University of Calgary in Kanada geforscht und in Entwicklungsabteilungen von Google, Microsoft und IBM mit Forschern und Ingenieuren an visuellen Benutzerschnittstellen für verschiedene Datenräume gearbeitet.

Prof. Dr. Harald Mieg hält die Professur für Forschung und Innovation und leitet das zentrale Projekt FL2, Forschendes Lernen – Lehrende Forschung, welches über innovative Lehrformate die Verzahnung von Forschung und Lehre sicherstellt. Nach langjähriger Tätigkeit an der ETH Zürich und als Leiter eines Beratungsbüros ist Harald Mieg aktuell zudem Honorarprofessor an der Humboldt-Universität zu Berlin (Georg-Simmel-Zentrum für Metropolenforschung) und leitet dort eine Doktorandengruppe zum Themenschwerpunkt der nachhaltigen Stadtentwicklung.

Prof. Dr.-Ing. Michael Ortgiese legt den Schwerpunkt seiner Professur für Mobilitäts- und Ver-kehrsmanagement in die Hinterfragung von Mobilitätsmustern in räumlichen Strukturen und den Einsatz von Technologien für Mobilitätsmanagement sowie die Umsetzung von Mobilitätskonzep-ten und Planungsverfahren. Michael Ortgiese greift auf langjährige Erfahrung in einem global tä-tigen Unternehmen für Verkehrsplanungssoftware sowie eine Vielzahl von Kooperationsprojekten mit Partnern aus der Politik, Verwaltung, Wirtschaft und Wissenschaft zurück.

Prof. Dr.-Ing. Michael Prytula untersucht als Forschungsprofessor für ‚Ressourcenoptimiertes und klimaangepasstes Bauen’ bauklimatische, gebäudetechnische und infrastrukturelle Anforderun-gen in Architektur und Stadtplanung. Er lehrte und forschte u.a. an der TU Berlin und an der Universität Kassel. Für das Deutsche Institut für Urbanistik koordinierte er als Mitglied der Ge-schäftsstelle von 2013-15 den Arbeitskreis 2 der ‚Nationalen Plattform Zukunftsstadt’ , in der in einem breit angelegten Stakeholderprozess eine Forschungs- und Innovationsagenda für zukünf-tige Stadtforschung entwickelt wurde.

Prof. Dr. Tobias Schröder erforscht als Sozialpsychologe im Rahmen der Forschungsprofessur ‚Nachhaltige urbane Entwicklungsstrategien’ kognitive, emotionale und soziale Mechanismen, die gesellschaftlichen Innovations- und Transformationsprozessen zugrunde liegen. Zuvor arbei-tete er unter anderem als Postdoctoral Fellow am Waterloo Institute for Complexity and Inno-vation in Kanada, am Institut Futur der Freien Universität Berlin sowie am DFG-Exzellenzcluster ‚Languages of Emotion’.

Zusammenfassung Die FH Potsdam hat mit der Gründung des IaF Urbane Zukunft eine fachbereichsübergreifende Einrichtung geschaffen, an der gesellschaftlich relevante Forschungsfragen mit Bezug zur nach-haltigen Transformation unserer Städte bearbeitet werden. Dazu werden Partnerschaften mit Kommunen, Forschungseinrichtungen, Planungsbüros, Unternehmen und weiteren Institutionen aus der Praxis geschlossen. Akteure aus Politik, Verwaltung, Wirtschaft und Zivilgesellschaft werden frühzeitig in angewandte Forschungsprojekte eingebunden. Durch die Verankerung des Konzepts ‚Forschendes Lernen – Lehrende Forschung’ im Curriculum der Studierenden sowie die Entwicklung eines neuen Masterstudiengangs ‚Urbane Zukunft’ werden die Entscheidungsträ-ger_innen von morgen praxisnah ausgebildet. Das Institut versteht sich als regionaler Katalysa-tor für angewandte Forschung zum Thema urbaner Zukunft und fördert eine neue Forschungs-, Lern- und Wissenskultur an der FH Potsdam.

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URBANE TECHNOLOGIEN


Literatur[Dör 14] Dörk, M. et al.: Monadic Exploration: Seeing the Whole Through Its Parts. In: CHI’14:

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[Dör 12] Dörk, M.: Visualization for Search: Exploring Complex and Dynamic Information Spac-es. University of Calgary, Calgary, 2012

[Mie 13] Mieg, H.; Töpfer, K.: Institutional and social innovation for sustainable urban devel-opment. Routledge, London, 2013

[Mie 13-2] Mieg, H. (Hrsg.): Stadt. Ein interdisziplinäres Handbuch. J.B. Metzler Verlag, Stuttgart, 2013

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[Sch 14] Schröder, T. et al.: Intention, emotion, and action: A neural theory based on semantic pointers. In: Cognitive Science, Nr.38, S. 851-880. John Wiley & Sons Inc, Hobroken, 2014

[Sch 09] Schröder, T.: Die Theorie der Affektsteuerung als allgemeine Theorie der sozialen Interaktion. Humboldt-Universität / dissertation.de, Berlin, 2009


Abbildung 1: Modell für die Entwicklung szenariogestützter Entscheidungsprozesse Abbildung 2: Struktur und Einbettung des IaF

KontaktDipl.-Geol. Matthias Hauf

Fachhochschule Potsdam IaF Urbane Zukunft Kiepenheuerallee 5, 14469 Potsdam

Telefon: (0331) 580-1063 E-Mail: [email protected] Internet: www.fh-potsdam.de/forschen/ urbane-zukunft

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“Moleculart” – schwimmende Pontonhäuser für künstlerische Events auf innerstädtischen Gewässern in BerlinCleo-Trix Lutz, M.Sc.1; Sabine Eggers, M.Sc.1; Prof. Dr. Susanne Junker1; Prof. Dr. Willi Hasselmann1


Kurzfassung

Schwimmende Pontonhäuser könnten auf den Gewässern der Berliner Innenstadt als mobile Orte für künstlerische Events eingesetzt werden und dabei die immer knapper werdende Res-source Grund und Boden schonen. Das Konzept beinhaltet den Entwurf von drei Typen und deren Kombination, deren Verortung in einem Wassernetz-Masterplan, Entwicklung von Tragwerk und Konstruktion inkl. schifffahrtstechnischer Simulation, Genehmigungsfähigkeit, Energie- und Kostenberechnung.

Abstract

Floating pontoon houses could be used on the waters of Berlin’s inner city area as mobile venues for artistic events and thereby preserve the shortening resource green land as well as building ground. The concept includes the design of three types and their combination, their lo-calization in a water circuit master plan, development of supporting and building structure incl. simulation of marine technology performance, authorization ability, energy and cost calculation.

Einleitung„Wir werden gegen Ende dieses Jahrhunderts eine ganz und gar urbane Spezies sein.“ Doug Saunders in Arrival City [Sau 11]

Ob Mega City, Global City, Metropolregion oder Metastadt – bei einer zunehmenden Verdichtung der Innenstadt und damit einhergehend einer physischen wie wirtschaftlich-finanziellen Verknap-pung von Grund und Boden werden normalerweise zwei Szenarien verfolgt, nämlich einerseits das Bauen in die Höhe (High Rise, z. B. Alexanderplatz und Potsdamer Platz) und andererseits das Verlagern ausgewählter Funktionen unter die Erde (Transport-Tunnel, Tiefgaragen, Energie-systeme). Ein drittes Szenarium, die Gewinnung von Flächen aus und auf dem Wasser, von Seen über breite Flussbette bis zu Meeresarmen, wird als ebenso zukunftsweisende wie „smarte ur-bane“ Strategie von Städten wie Amsterdam [Olt 10], Bangkok, Dubai oder Doha verfolgt. Dies wiederum korreliert prinzipiell mit unserem westlichen Verständnis von Wassernähe als Ort mit hohen Aufenthalts- und Standortqualitäten.

HauptteilDie Metropole Berlin verfügt innerstädtisch über ein sehr dichtes Netz aus Wasserflächen – Spree und Havel, Seen, Kanäle und Häfen.

Diese Flächen waren historisch schon immer funktionale Orte innerhalb des Stadtgefüges, indem sie Transport und Handel ermöglichten und somit zum Wachstum und Wohlstand der Stadt bei-trugen. In unserer postindustriellen Gesellschaft hat sich ihre Rolle mehr in Richtung Erholung- und Freizeitnutzung gewandelt, doch dies muss ja kein Widerspruch zur Reaktivierung für eine mobile Nutzung sein.

Wasser im Sinne eines physischen Erscheinungsbilds als „Grundstück“ verbraucht keine Boden-fläche – d.h., auch nicht als Nachverdichtung zwischen bereits bestehenden Gebäuden oder gar bei Grün- und ähnlichen legalen wie geduldeten Erholungsflächen, denen eine Umwidmung zu Bauland „droht“.

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Wenn sich Gebäude von ihrem Ort lösen können, entstehen Produkte, die über ihre gesam-te Lebensdauer sehr effizient an unterschiedlichen Orten eingesetzt werden können [Kro 08]. Schwimmende und somit mobile Häuser gehören zudem zu den Archetypen menschlicher Behau-sungen, nicht nur in den Flussdeltas im südostasiatischen Raum [Fle 05], auch wenn der Begriff „Immobilie“ eine ganz andere Eigenschaft von Architektur einschränkend suggeriert.

Diese Analyse, die als Referenzobjekte auch die o.g. „Wasser-Städte“ kritisch betrachtete und hinterfragte, führte zum Entwurf von schwimmenden Pontonhäusern für künstlerische Events und deren realitätsnahe Simulation hinsichtlich Baukonstruktion, Schiffsbau-Technologien, Ener-gieversorgung, Finanzierbar- und Wirtschaftlichkeit mit allen für das Verständnis erforderlichen Berechnungen und Visualisierungen.

Die Nutzung „Kunst“ ist dabei eine als wesentlich begriffene soziokulturelle Komponente – “ur-ban commons“ – innerhalb der sich verknappenden Ressource „Innenstadt“. Gerade Berlin lebt und profitiert ja von einer höchst lebendigen Kreativ- und Designszene, welche sich wiederum mit den etablierten Kulturinstitutionen vernetzt und vice versa.

Das Entwurfskonzept setzt sich aus drei Pontonhaus-Typen zusammen: Einem „Mutterschiff“, das als Basis (Organisation, Parkposition mit Mooring-System, Energieversorgung) für zwei kleinere und damit beweglichere Typen dient, die je nach Nutzungsanforderung oder auch Gewässer-“Topographie“ zu unterschiedlichen Formationen zusammengedockt werden können. Um die Eingriffe in das Flussbett, die Kanalsohle, den Seegrund oder auch das Ufer so gering wie mög-lich zu halten, wurde die maritime Verankerungstechnik des Mooring gewählt, also ein System aus mehreren schwimmenden Ketten oder Leinen, vergleichbar mit einem Netz aus Zugseilen in der Baukonstruktion. Dieses Netz hängt an einem versenkten Ankerstein, der jedoch einfach demontierbar ist. Für den „städtebaulichen Plan“ werden an die Basis insgesamt 25 mobile Pon-tonhäuser angekettet. Typ I und II können dabei unter- als auch miteinander verbunden werden.

Abb. 1: Berliner „Wassernetz als Landkarte“

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Diese Dimensionierung von Volumen und Flächen, die sowohl einzeln als auch in einer Enfilade sowie in einer Matrix zu begehen sind, schafft Räume für die Präsentation von bildender Kunst, sowohl physisch als auch digital-virtuell, für Kammerkonzerte, für akustische Installationen à la Klangräume, für Lesungen, Workshops, Diskussionen, Empfänge mit Catering sowie Café-, Bar- und Bistrobetrieb - oder als schwimmende Bühne.

Typ I ist als prismatisches Volumen konstruiert, also mit drei Bug-Spitzen und einem punktsym-metrischen Schwerpunkt, und kann deshalb extrem wendig manövriert werden. Auf eine konkav flache Ponton-Schale (Stahlbeton oder Schiffsstahl) wird eine Holzrahmenkonstruktion aus bie-gesteifen Dreiecken aufgesetzt.

So wird mittels einer festen bzw. verformungssteifen Hülle auf störende Stützen im Innenraum verzichtet. Diese mehrfach gefalteten Dreiecke werden entweder als Blendrahmen für Türen oder Fenster mit Klappläden ausgebildet oder mit gedämmten Sandwichplatten ausgefacht. Bei sämtlichen Materialien, auch für das Mobiliar, werden natürliche nachwachsende Materia-

lien wie z. B. einheimische Hölzer wie Lärche und Eiche gegenüber künstlichen Werkstoffen bevorzugt. Der Innenraum ist so außerdem vergleichsweise neut-ral, also ungerichtet, mit einer BGF von 75 m2 Brutto-Geschoss-Fläche (BGF), das entspricht etwa einer 3-Raumwohnung, und einer lichten Raumhöhe von 3,90 m bis 4,60 m.

Abb. 3: Grundriss Typ I mit Nutzungsvarianten

Abb. 2: Modellstudien Volumen und Rahmen

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Typ II ist als ansonsten baugleiche Zwei-Bug-Konstruktion mit 55 m2 BGF und einer lichten Höhe von 2,90 m etwas kleiner als Typ I, dient z. B. als Lager, Service- oder Nebenraum, kann dafür aber mit einem Außenbordmotor schneller und eigenständig gefahren werden. Für das Andocken Bug an Bug wurde ein spezielles Detail entwickelt, eine Kombination aus Fender und elastischem Feder-Gelenk, um Beschädigungen an Ponton und Rahmen beim Manövrieren unter Wind zu vermeiden.

Die Proportionen beider Typen sind auf die Durchfahrtshöhen und -breiten der Berliner Brücken abgestimmt. Aufgrund der Ponton-“Gründung“ beträgt die erforderliche Wassertiefe nur 1,50 m. Das Wasser- und Schifffahrtsamt, das freundlicherweise mit zahlreichen rechtlichen Informatio-nen und Hinweisen das Projekt unterstützte, hatte keine Bedenken gegen den Standort für eine Marina oder eine Art Basis der Spree im Bereich Treptower Park/Rummelsburger Bucht. Von hier aus wurde deshalb ein Mobilitäts-Masterplan entwickelt, der verschieden lange Routen als Par-cours entlang ausgewählten kulturellen und sehenswerten Orten aufzeigt, z. B. Museumsinsel, Nationalgalerie, Radialsystem, Mediaspree bis zur preußischen Parklandschaft am Wannsee.

Abb. 4: Rendering Parcours-Station Paul-Löbe- und Marie-Elisabeth-Lüders-Haus /Deutscher Bundestag

Auch wenn in Berlin keine Hochsee-Bedingungen mit Seegang und Windstärke herrschen, wer-den dennoch z. B. auf dem Wannsee oder dem Müggelsee kritische Spitzenwerte gemessen. Angenommen für den Nachweis von Stabilität, von Sinksicherheit und Festigkeit des Rump-fes wurde deshalb eine Windstärke 8 /Beaufortskala, auch um eine höhere Sicherheit für ggf. größere Besuchergruppen und selbstverständlich die ausgestellten Kunstwerke zu garantieren. Zum Vergleich, beim Seetauglichkeitsnachweis von Sportbooten, also ebenfalls einer Freizeit-nutzung, entspricht Windstärke 10 der Hochsee, dagegen Windstärke 4 geschützten Gewässer wie Flüssen und Kanälen. Diese Berechnungen von Krängungs- und Kenter-Szenarien erfolgten in interdisziplinärer Zusammenarbeit mit dem Institut für Land- und Seeverkehr FG Entwurf und Betrieb maritimer Systeme der TU Berlin. So wurden für den „unruhigeren“ Typ II sieben „Loadcases“ (Winter, Sommer, Besucheranzahl) auf die kritische Krängungslinie „Margin Line“ und die Kontrolle der Pontonoberkante „Deck Edge“ ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass keine Gefahr des Kenterns besteht bei den in Berlin vorherrschenden klimatischen Bedingungen.

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In absoluten Ausnahmefällen, z. B. bei extremem Schneefall, könnte immer noch die Anzahl der Besucher begrenzt werden, um maximale Verkehrslasten mit dezentraler Lastverteilung zu ver-hindern. Interpolationen lassen damit auch positive Rückschlüsse auf Typ I zu.

Diese Sicherheitsnachweise sind u.a. Voraussetzung für die strom- und schifffahrtspolizeiliche Genehmigung nach dem Bundeswasserstraßengesetz WaStrG – bestimmte Abschnitte von Spree und Havel sind als Bundeswasserstrassen klassifiziert – und einer zusätzlichen „wasserbehördli-chen“ Genehmigung, hier durch das Wasser- und Schifffahrtsamt WSA bei der Senatsverwaltung für Gesundheit, Umwelt und Verbraucherschutz. Aber auch die Vorgaben aus dem BauGB (Bauge-setzbuch) und der BauOBln (Bauordnung Berlin) wurden berücksichtigt.

Weitere Berechnungen betrafen die Entwicklung eines Energie- und Entsorgungskonzeptes (Was-ser- und Abwassertanks, Solarthermie- und Photovoltaikanlage auf den Dachflächen zum Heizen bzw. zur Stromgewinnung, also nachhaltige solare und emissionsarme Energieformen) sowie eine Kosten- und Wirtschaftlichkeitsberechnung (in Anlehnung an DIN 276 und 277 im Vergleich zu Gebäuden auf dem Land). Hier zeigt sich ein ungleich höherer technischer wie auch finanzi-eller Aufwand, der jedoch wiederum korrigierend in Relation zum Bau von Booten und Yachten gesetzt werden müsste. Nach den „klassischen“ Kostenansätzen mit den Vorgaben der DIN 276 und 277, also den beiden Kostengruppen 300 (Bauwerk-Baukonstruktion) und 400 (Bauwerk-technische Anlagen), werden Stückpreise zwischen knapp 100.000 EUR für Typ II und bis zu 300.000 EUR für Typ I erzielt. Diese Werte könnten evtl. durch stärkere Standardisierung und höhere Stückzahlen reduziert werden, also wie bei „billigeren“ Fertighäusern. Denn besonders die Pontons als Sonderanfertigungen erweisen sich als extrem kostenrelevant im unmittelbaren Vergleich gemäß der statistischen BKI-Kostenkennwerte mit einem etwa gleich großen Einfami-lienhaus. In den Niederlanden und auch in Südostasien wurden jedoch mit Ponton-Gründungen auch finanziell gute Erfahrungen gemacht, so dass hier ggf. weiterer Forschungsbedarf ist. Hinzu kommen die Gebühren für Liegeplätze als regelmäßige Pachtzahlung, die an das Wasser- und Schifffahrtsamt Berlin zu entrichten sind, sowie eine Registrierung im Schiffsregister.

ZusammenfassungDer wesentliche und einflussreichste Faktor für eine Investition in ein derartiges Pontonhaus-Konzept ist der Verzicht auf innerstädtischen Grund und Boden, also die Absage an den weiteren Verbrauch einer endlichen Ressource. Weitere positiv zu beurteilende Faktoren sind die Mobilität der Pontonhäuser – die Häuser werden genau an den Orten eingesetzt, an denen sie für ein Event benötigt oder für einen Parcours angefragt werden – und die soziokulturelle Komponen-te. Denn gleichzeitig wird ohne jegliche Einschränkung Zugang – urbanes Kurze-Wege-Prinzip – zu wenn nicht gar unmittelbare Partizipation der städtischen Zivilgesellschaft an vielfältigen künstlerischen Events gewährleistet. Diese Kriterien sind für eine heute ebenso wie zukünftig lebenswerte Stadt gar nicht hoch genug zu gewichten – diese erneute Metamorphose Berlins sollte beginnen.

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Literatur[Fle 05] Felix Flesche: Water House, Prestel München London New York 2005

[Kro 08] Robert Kronenburg: Mobile Architektur, Entwurf und Technologie, Birkhäuser Basel Ber-lin Boston 2008

[Olt 10] Koen Olthuis & David Keuning: Float! - Building on Water to Combat Urban Congestion and Climate Change, Frame Publishers Amsterdam 2010

[Sau 11] Doug Saunders: Arrival City - Über alle Grenzen hinweg ziehen Millionen Menschen vom Land in die Städte. Von ihnen hängt unsere Zukunft ab, Blessing München 2011


Abbildungen 1-4: Cleo-Trix Lutz und Sabine Eggers

KontaktProf. Dr. Susanne Junker



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BioClimeNachhaltigkeit und Energieeffi zienz in Sonderanlagen

tEilaspEkt: BauEpochEn in dEutschEn zoos Zoogebäude blicken in Deutschland auf eine mehr als 150-jährige Geschichte zurück. Seit der Eröff nung des ersten Deutschen Zoos 1844 hat sich sowohl die Zootierhaltung als auch die Bautechnik sowie Architektursprache mehrfach gewandelt und kontinuierlich weiterentwickelt. Insbesondere die ganzjährige Haltung und Präsentation von tropischen Tieren (und Pfl anzen) in Gebäuden stellt die Architektur und Bauphysik vor eine spezielle Herausforderung. Heutzutage wird der energieintensive Betrieb dieser klimatischen Sonderbauten durch die steigenden Energiepreise immer mehr zum Thema. Zoos in Deutschland investieren in ihre Anlagen, unter anderem um den immer wieder verschärften gesetzlichen Kriterien der Zootierhaltung und dem erhöhten Anspruch der Besucher an eine »naturnahe« Präsentation der Tiere zu entsprechen, zum anderen um ihre Wettbewerbsfähigkeit durch neue Besucherattraktio-nen aufrechtzuerhalten.

tEilaspEkt: EnErgEtischE analysE – tagEslichtEine besondere Herausforderung in der Gebäudeplanung und -sanierung stellt die Optimierung zwischen Tageslichtnutzung und Wärmeschutz dar. Natürliches Licht wird im Innenraum nutzbar durch den Einsatz transparenter Flächen, die beste Dämmwirkung hingegen bieten opake Flächen. Im BioClime For-schungsprojekt werden im Rahmen der energetischen Analyse Vergleichsmessungen in realen Sondergebäuden durchgeführt, die den Lebensraum »Tropen« nachbilden. Das umfasst geo-metrische Aufmaße, 3D-Modellierungen, bauphysikalische Un-tersuchungen, Messungen verschiedener Klimaparameter wie Temperatur, Feuchte und Luftgeschwindigkeit über das Gebäud-eprofi l. Ergebnis ist, dass oftmals Anforderungen der Bewohner und Nutzer durch die Gebäudehülle ›gestört‹ werden. Haupt-ursachen sind die Alterung der Baumaterialien und technische Installationen, die nicht mehr den aktuellen Nutzungsanfor-derungen entsprechen. Gebäude werden in der Regel für eine Lebensdauer von 50 bis 100 Jahren errichtet, die Technik hin-gegen hat nach VDI 2067 einen durchschnittlichen Lebenszyk-lus von etwa 15 bis 35 Jahren. Im Bereich der Sondergebäude – Tier- und Freizeitanlagen ändern sich die Nutzeranforderungen und -entwicklungen in Zeiträumen von fünf bis zehn Jahren. Da-raus ergeben sich zum Teil starke Belastungen der Bausubstanz und Gebäudetechnik, wenn die veränderte Nutzung zu stark von der ursprünglichen Auslegung abweicht.

• proF. Dipl.-ing. kAtJA biek · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected] • M.Sc. norA exner · Beuth hochschule für technik Berlin • Dipl.-ing. HelenA broAD · Beuth hochschule für technik Berlin • b.Sc. DoAn MAnH trung ·Beuth hochschule für technik Berlin • b.Sc. tino brüllke · Beuth hochschule für technik Berlin

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Improving Health – Promoting Innovation: The »InnoHeCo Procedure«

introductionAgainst the background of demographic change, employees health and work ability become more and more important. In small and medium-sized enterprises health promotion must be combined with other topics e.g. with motivation and innovation capability. Resource orientated approaches are promising be-cause health, motivation and innovation capability can be im-proved simultaneously (Ducki, 2013; Becke, 2010).

oBjEctivEs » Development of a practical demographic and health-oriented procedure for identifying and designing innovation drivers and health resources in the skilled craft

» Examination of relations between health promotion and innovation

» Identification of specific innovation potentials

samplE » 26 craft enterprises (5-95 employees) » 8 trades (e.g. sanitary, technics, metal) » 24 entrepreneurs, 465 employees in total » Region of Osnabrück-Emsland, Grafschaft Bentheim

sciEntific approachDevelopment, implementation and evaluation of a modular procedure, »InnoHeCo-Procedure« (Innovation-Health-Compe-tence), composed of:

» Motivational interviews » Information components (topics: innovation and health) » Analytical tool for the companies: e.g. communication, working conditions and innovation capability

» Workshops » Enterprise network

The core of the developed analytical tool combining innovative and health-promoting aspects is a grid resp. net of innovation competence (ICoNe), which consists of six fields of investigati-on and a total of 127 items (see figure 1).

rEsultsAll enterprises involved showed medium to good results in terms of innovation capabilities and health-related resources. However, there were vast differences within the various compa-ny profiles:

Overall 120 solutions for strengthening resources have been de-velopped in the companies. All solutions are important require-ments for the improvement of innovation capacity and psycho-social health of the employees (see example below).

conclusionResults of the first test of the »InnoHeCo-Procedure« show a good practicability for small craft enterprises and provide initial information on the interaction between innovation and health oriented leadership.

fundEd By: carriEd out By:

• proF. Dr. AntJe Ducki · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected]


Urbane Technologien

BioClimeNachhaltigkeit und Energieeffi zienz in Sonderanlagen

tEilaspEkt: BauEpochEn in dEutschEn zoos Zoogebäude blicken in Deutschland auf eine mehr als 150-jährige Geschichte zurück. Seit der Eröff nung des ersten Deutschen Zoos 1844 hat sich sowohl die Zootierhaltung als auch die Bautechnik sowie Architektursprache mehrfach gewandelt und kontinuierlich weiterentwickelt. Insbesondere die ganzjährige Haltung und Präsentation von tropischen Tieren (und Pfl anzen) in Gebäuden stellt die Architektur und Bauphysik vor eine spezielle Herausforderung. Heutzutage wird der energieintensive Betrieb dieser klimatischen Sonderbauten durch die steigenden Energiepreise immer mehr zum Thema. Zoos in Deutschland investieren in ihre Anlagen, unter anderem um den immer wieder verschärften gesetzlichen Kriterien der Zootierhaltung und dem erhöhten Anspruch der Besucher an eine »naturnahe« Präsentation der Tiere zu entsprechen, zum anderen um ihre Wettbewerbsfähigkeit durch neue Besucherattraktio-nen aufrechtzuerhalten.

tEilaspEkt: EnErgEtischE analysE – tagEslichtEine besondere Herausforderung in der Gebäudeplanung und -sanierung stellt die Optimierung zwischen Tageslichtnutzung und Wärmeschutz dar. Natürliches Licht wird im Innenraum nutzbar durch den Einsatz transparenter Flächen, die beste Dämmwirkung hingegen bieten opake Flächen. Im BioClime For-schungsprojekt werden im Rahmen der energetischen Analyse Vergleichsmessungen in realen Sondergebäuden durchgeführt, die den Lebensraum »Tropen« nachbilden. Das umfasst geo-metrische Aufmaße, 3D-Modellierungen, bauphysikalische Un-tersuchungen, Messungen verschiedener Klimaparameter wie Temperatur, Feuchte und Luftgeschwindigkeit über das Gebäud-eprofi l. Ergebnis ist, dass oftmals Anforderungen der Bewohner und Nutzer durch die Gebäudehülle ›gestört‹ werden. Haupt-ursachen sind die Alterung der Baumaterialien und technische Installationen, die nicht mehr den aktuellen Nutzungsanfor-derungen entsprechen. Gebäude werden in der Regel für eine Lebensdauer von 50 bis 100 Jahren errichtet, die Technik hin-gegen hat nach VDI 2067 einen durchschnittlichen Lebenszyk-lus von etwa 15 bis 35 Jahren. Im Bereich der Sondergebäude – Tier- und Freizeitanlagen ändern sich die Nutzeranforderungen und -entwicklungen in Zeiträumen von fünf bis zehn Jahren. Da-raus ergeben sich zum Teil starke Belastungen der Bausubstanz und Gebäudetechnik, wenn die veränderte Nutzung zu stark von der ursprünglichen Auslegung abweicht.

• proF. Dipl.-ing. kAtJA biek · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected] • M.Sc. norA exner · Beuth hochschule für technik Berlin • Dipl.-ing. HelenA broAD · Beuth hochschule für technik Berlin • b.Sc. DoAn MAnH trung ·Beuth hochschule für technik Berlin • b.Sc. tino brüllke · Beuth hochschule für technik Berlin

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Green IT – Innovative Kühlung von Rechenzentren mittels Adsorptionskälteanlagenaus wärmE wird kältEDer Kühlbedarf für festplattenbasierte Server macht über die Hälfte des Gesamt-energiebedarfs von Rechenzentren und Serverräumen aus, Tendenz steigend. Der Betrieb von Kompressionskälteanlagen zur luftbasierten Klimatisierung der Rechenzentren ist Stand der Technik. Der hohe Strombedarf dieser Anlagen und steigende Stromkosten sind jedoch zunehmend ein wirtschaftliches Argument, Adsorptionskälteanlagen als Alternativen zur Kühlung der Server einzusetzen. Für die Kühlung eines Rechenzentrums in Berlin wurde durch den Hersteller eine Kombination aus einem erdgasbetriebenen Gasmotor-Blockheizkraftwerk (BHKW) und einer Adsorptionskältemaschine (AdKM) realisiert (Abb. 1). Die Ab-wärme des Motors stellt die Antriebswärme für die AdKM dar, so dass neben der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) des Rechenzentrums auch die Ser-verracks und Büros gekühlt werden.

Einsparung von 38 prozEnt dEr kostEnAufgrund der deutlich besseren Brennstoff nutzung des AdKM-BHKW-Systems liegen die spezifi schen Kältekosten um 38 Prozent niedriger als bei einem her-kömmlichen System mit Kompressionskältemaschine (KKM). Eine Amortisations-zeit von unter vier Jahren machte diese Kombination sehr attraktiv für den Betrei-ber des Rechenzentrums. Die Kilowattstunde Kälte kann so deutlich günstiger zur Verfügung gestellt werden, Abb. 2. Der CO2- Ausstoß bei einer Nutzung von AdKM & BHKW verringert sich auf zirka 64 Prozent des Ausstoßes einer vergleich-baren Kompressionskältemaschine mit Netzanschluss, siehe Abb. 3.

EXaktE planungswErkzEugEZur exakten Auslegung der oben beschriebenen KWKK-Anlagen werden soft-warebasierte Simulationswerkzeuge verwendet. Insbesondere die genaue Abbil-dung des zeitlich veränderlichen Anlagenverhaltens der AdKM ist von Interesse. Die Erstellung eines solchen Gesamtmodells wurde durch die Beuth Hochschule durchgeführt. Abb. 4 zeigt einen Messaufbau zur Ermittlung des zeitabhängigen Verhaltens eines Silikagel-Schüttungswärmetauschers bei Wasserbeladung. In diesem sogenannten Kinetik-Prüfstand wird das Sorptionsmaterial unter Bedin-gungen untersucht, die denen in einer AdKM nachempfunden sind. Die Ergebnis-se aus den Kinetik-Messungen werden in einem numerischen Modell der AdKM verwendet, um das Gesamtverhalten der Anlage zu simulieren.

Zur Validierung der Ergebnisse aus der Simulation wurden Messungen an einer realen Anlage an der Beuth Hochschule für Technik durchgeführt, Abb. 5. Der Ver-gleich der Messergebnisse mit den Simulationsergebnissen zeigt sehr gute Über-einstimmung. Die mittleren Abweichungen betragen vier Prozent bei der Tempe-ratur und ein Prozent bei der Zeit, Abb. 6.

• proF. Dr.-ing. pAul koHlenbAcH · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected] • M.eng. FreDerik cHriStiAn FröVel · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected] • M.eng. robert Vieweg · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected]

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• Cleo-Trix luTz, M. SC. · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected]

• Sabine eggerS, M. SC. · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected]

• Prof. Dr. SuSanne Junker · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected]

Schwimmende PontonhäuSer für künStleriSche eventS auf innerStädtiSchen GewäSSern in BerlinSchwimmende Pontonhäuser könnten auf den Gewässern der Berliner Innenstadt als mobile Orte für künstlerische Events eingesetzt werden und dabei die immer knapper werdende Ressource Grund und Boden schonen. Das Konzept beinhaltet den Entwurf von drei Typen und deren Kombination, deren Verortung in einem Wassernetz-Masterplan, Entwicklung von Tragwerk und Konstruktion inkl. schiffahrtstechnischer Simulation, Genehmigungsfähigkeit, Energie- und Kostenberechnung.

moleculartDiese Dimensionierung von Volumen und Flächen, die sowohl einzeln als auch in einer Enfilade sowie in einer Matrix zu begehen sind, schafft Räume für die Präsentation von bildender Kunst, sowohl physisch als auch digital-virtuell, für Kammerkonzerte, für akustische Installationen à la Klangräume, für Lesungen, Workshops, Diskussionen, Empfänge mit Catering sowie Cafe-, Bar- und Bistrobetrieb – oder als schwimmende Bühne.

der tyP iist als prismatisches Volumen konstruiert, also mit drei Bug-Spitzen und einem punktsymmetrischen Schwerpunkt, und kann deshalb extrem wendig manövriert werden. Auf eine konkav flache Ponton-Schale (Stahlbeton oder Schiffsstahl) wird eine Holzrahmenkonstruktion aus biegesteifen Dreiecken aufgesetzt, so wird mittels einer festen bzw. verformungssteifen Hülle auf störende Stützen im Innenraum verzichtet. Diese mehrfach gefalteten Dreiecke werden entweder als Blendrahmen für Türen oder Fenster mit Klappläden ausgebildet oder mit gedämmten Sandwichplatten ausgefacht. Bei sämtlichen Materialien, auch für das Mobiliar, werden natürliche nachwachsende Materialien wie zum Beispiel einheimische Hölzer wie Lärche und Eiche gegenüber künstlichen Werkstoffen bevorzugt. Der Innenraum ist so außerdem vergleichsweise neutral, also ungerichtet, mit einer BGF von 75 m2, das entspricht etwa einer 3-Raumwohnung, und einer lichten Raumhöhe von 3,90 m bis 4,60 m.

MoleculART- Standortwechsel im fließenden Übergang

Nordhafen Spandau

Rummelsburger BuchtHausbooteTiergartenufer Badeschi�

Westhafen

Ringbahn

Treptower Park

Treskowbrücke

Bar Ausstellung / Trennwände Auditorium

Variationen der grundrissgestaltung/ -nutzung

mobiler typ ii - 55 m2 - im regierungsViertel

Research Day 2015Stadt der ZukunftKonzepte und Technologien

UrbaneTechnologien





moleculartDiese Dimensionierung von Volumen und Flächen, die sowohl einzeln als auch in einer Enfilade sowie in einer Matrix zu begehen sind, schafftRäume für die Präsentation von bildender Kunst, sowohl physisch alsauch digital-virtuell, für Kammerkonzerte, für akustische Installationen à la Klangräume, für Lesungen, Workshops, Diskussionen, Empfänge mit Catering sowie Cafe-, Bar- und Bistrobetrieb – oder alsschwimmende Bühne.

der tyP iist als prismatisches Volumen konstruiert, also mit drei Bug-Spitzen und einem punktsymmetrischen Schwerpunkt, und kann deshalb extrem wendig manövriert werden. Auf eine konkav flache Ponton-Schale (Stahlbeton oder Schiffsstahl) wird eine Holzrahmenkonstruktion aus biegesteifen Dreiecken aufgesetzt, so wird mittels einer festen bzw. verformungssteifen Hülle auf störende Stützen im Innenraum verzichtet. Diese mehrfach gefalteten Dreiecke werden entweder als Blendrahmen für Türen oder Fenster mit Klappläden ausgebildetoder mit gedämmten Sandwichplatten ausgefacht. Bei sämtlichen Materialien, auch für das Mobiliar, werden natürliche nachwachsende Materialien wie zum Beispiel einheimische Hölzer wie Lärche und Eiche gegenüber künstlichen Werkstoffen bevorzugt. Der Innenraum ist so außerdem vergleichsweise neutral, also ungerichtet, mit einer BGF von 75 m2, das entspricht etwa einer 3-Raumwohnung, und einer lichten Raumhöhe von 3,90 m bis 4,60 m.


Nordhafen Spandau


Westhafen

Ringbahn

Treptower Park

Treskowbrücke





UrbaneTechnologien

• Mobiler Typ II – 55 Quadratmeter – im Regierungsviertel

• Variationen der Grundrissgestaltung/ -nutzung





moleculartDiese Dimensionierung von Volumen und Flächen, die sowohl einzeln als auch in einer Enfilade sowie in einer Matrix zu begehen sind, schafftRäume für die Präsentation von bildender Kunst, sowohl physisch alsauch digital-virtuell, für Kammerkonzerte, für akustische Installationen à la Klangräume, für Lesungen, Workshops, Diskussionen, Empfänge mit Catering sowie Cafe-, Bar- und Bistrobetrieb – oder alsschwimmende Bühne.

der tyP iist als prismatisches Volumen konstruiert, also mit drei Bug-Spitzen und einem punktsymmetrischen Schwerpunkt, und kann deshalb extrem wendig manövriert werden. Auf eine konkav flache Ponton-Schale (Stahlbeton oder Schiffsstahl) wird eine Holzrahmenkonstruktion aus biegesteifen Dreiecken aufgesetzt, so wird mittels einer festen bzw. verformungssteifen Hülle auf störende Stützen im Innenraum verzichtet. Diese mehrfach gefalteten Dreiecke werden entweder als Blendrahmen für Türen oder Fenster mit Klappläden ausgebildetoder mit gedämmten Sandwichplatten ausgefacht. Bei sämtlichen Materialien, auch für das Mobiliar, werden natürliche nachwachsende Materialien wie zum Beispiel einheimische Hölzer wie Lärche und Eiche gegenüber künstlichen Werkstoffen bevorzugt. Der Innenraum ist so außerdem vergleichsweise neutral, also ungerichtet, mit einer BGF von 75 m2, das entspricht etwa einer 3-Raumwohnung, und einer lichten Raumhöhe von 3,90 m bis 4,60 m.


Nordhafen Spandau


Westhafen

Ringbahn

Treptower Park

Treskowbrücke





UrbaneTechnologien

• M.Sc. cleo-trix lutz · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected] • M.Sc. SAbine eggerS · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected] • proF. Dr. SuSAnne Junker · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected]

MoleculART –


urBane technologien

Green IT – Innovative Kühlung von Rechenzentren mittels Adsorptionskälteanlagenaus wärmE wird kältEDer Kühlbedarf für festplattenbasierte Server macht über die Hälfte des Gesamt-energiebedarfs von Rechenzentren und Serverräumen aus, Tendenz steigend. Der Betrieb von Kompressionskälteanlagen zur luftbasierten Klimatisierung der Rechenzentren ist Stand der Technik. Der hohe Strombedarf dieser Anlagen und steigende Stromkosten sind jedoch zunehmend ein wirtschaftliches Argument, Adsorptionskälteanlagen als Alternativen zur Kühlung der Server einzusetzen. Für die Kühlung eines Rechenzentrums in Berlin wurde durch den Hersteller eine Kombination aus einem erdgasbetriebenen Gasmotor-Blockheizkraftwerk (BHKW) und einer Adsorptionskältemaschine (AdKM) realisiert (Abb. 1). Die Ab-wärme des Motors stellt die Antriebswärme für die AdKM dar, so dass neben der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) des Rechenzentrums auch die Ser-verracks und Büros gekühlt werden.

Einsparung von 38 prozEnt dEr kostEnAufgrund der deutlich besseren Brennstoff nutzung des AdKM-BHKW-Systems liegen die spezifi schen Kältekosten um 38 Prozent niedriger als bei einem her-kömmlichen System mit Kompressionskältemaschine (KKM). Eine Amortisations-zeit von unter vier Jahren machte diese Kombination sehr attraktiv für den Betrei-ber des Rechenzentrums. Die Kilowattstunde Kälte kann so deutlich günstiger zur Verfügung gestellt werden, Abb. 2. Der CO2- Ausstoß bei einer Nutzung von AdKM & BHKW verringert sich auf zirka 64 Prozent des Ausstoßes einer vergleich-baren Kompressionskältemaschine mit Netzanschluss, siehe Abb. 3.

EXaktE planungswErkzEugEZur exakten Auslegung der oben beschriebenen KWKK-Anlagen werden soft-warebasierte Simulationswerkzeuge verwendet. Insbesondere die genaue Abbil-dung des zeitlich veränderlichen Anlagenverhaltens der AdKM ist von Interesse. Die Erstellung eines solchen Gesamtmodells wurde durch die Beuth Hochschule durchgeführt. Abb. 4 zeigt einen Messaufbau zur Ermittlung des zeitabhängigen Verhaltens eines Silikagel-Schüttungswärmetauschers bei Wasserbeladung. In diesem sogenannten Kinetik-Prüfstand wird das Sorptionsmaterial unter Bedin-gungen untersucht, die denen in einer AdKM nachempfunden sind. Die Ergebnis-se aus den Kinetik-Messungen werden in einem numerischen Modell der AdKM verwendet, um das Gesamtverhalten der Anlage zu simulieren.

Zur Validierung der Ergebnisse aus der Simulation wurden Messungen an einer realen Anlage an der Beuth Hochschule für Technik durchgeführt, Abb. 5. Der Ver-gleich der Messergebnisse mit den Simulationsergebnissen zeigt sehr gute Über-einstimmung. Die mittleren Abweichungen betragen vier Prozent bei der Tempe-ratur und ein Prozent bei der Zeit, Abb. 6.

• proF. Dr.-ing. pAul koHlenbAcH · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected] • M.eng. FreDerik cHriStiAn FröVel · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected] • M.eng. robert Vieweg · Beuth hochschule für technik Berlin · [email protected]

18 °C

16 °C

Büroraumkühlung

Serverkühlung Ab-wärme

BHKW & AdKM

-38 % -36 %

AdKM

1

2

4

5

6

3

gEfördErt durch

Kaltwasseraustritt (simuliert)

Kaltwassereintritt

Kaltwasseraustritt (gemessen)

Zeit t [s]


urBane technologien

230

• proF. Dr. yuri lucHko · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected]

aufgaBEnstEllung Wasserressourcen werden zum Teil durch Recycling wiederverwendbar ge-macht. In die Reservoirs mit dem recycelten Wasser gelangt auch das Grund-wasser, dessen Qualität im besonderen Maß kontrolliert werden sollte. Sollten umweltschädliche Substanzen ins Regenwasser gelangen, sind zuver-lässige Vorhersagen der Qualität des Grundwassers eine wichtige Aufgabe. Insbesondere werden physikalische und mathematische Modelle für die Aus-breitung des Regenwassers im meistens sehr heterogenen Boden gefragt.

ctrw-modEll und fraktionalE diffusionsglEichung Wie experimentelle Daten zeigen, unterscheiden sich die Charakteristi-ka der Grundwasserdiff usion sehr wesentlich von den Vorhersagen, die im Rahmen der klassischen Diff usionstheorie gemacht werden. Insbesondere ist die Geschwindigkeit der Ausbreitung des Wassers im heterogenen Bo-den meistens viel langsamer als die, die von den klassischen Diff usionsmo-dellen vorhergesagt wird.

In diesem Bezug spricht man von der anomalen Diff usion. Auf der Mikro-Ebene kann anomale Diff usion mit einem speziellen Zufallsbewegungsmo-dell (CTRW-Modell) abgebildet werden. Im Gegensatz zum klassischen Mo-dell für die Brownsche Bewegung, basiert das CTRW-Modell auf der Idee, dass die Länge eines Sprungs eines sich zufällig bewegenden Partikels, ge-nauso wie die Wartezeit, die zwischen zwei aufeinander folgenden Sprün-gen vergeht, von einer gemeinsamen WDF bestimmt wird.

Die Hauptmerkmale eines CTRW-Prozesses sind die charakteristische War-tezeit und die Sprunglängenvarianz. Wenn sowohl die charakteristische Wartezeit als auch die Sprunglängenvarianz eines CTRW-Prozesses endlich sind, entspricht sein Langzeit-Verhalten dem der Brownschen Bewegung. Wenn die charakteristische Wartezeit divergiert, aber die Sprunglängenva-rianz endlich bleibt, kann man unter bestimmten Annahmen zeigen, dass das Langzeit-Verhalten dieses Prozesses durch eine fraktionale Diff usions-gleichung mit einer fraktionalen zeitlichen Ableitung beschrieben wird. Die Vorhersagen dieses Modells stimmen bei vielen anomalen Diff usionspro-zessen mit den experimentellen Daten sehr gut überein.

Mathematische Modelle der anomalen Diff usion des Grundwassers

• Experimentelle Daten versus Vorhersagen desklassischen Modells

• Numerische Lösungen der fraktionalen2D-Diff usionsgleichung

litEratur » Yuri Luchko, Alessandro Punzi: Modeling anomalous heat transport in geothermal reservoirs via fractional diff usion equations. International Journal on Geomathematics 1 (2011), 257-276.

» Yuri Luchko: Anomalous Diff usion: Models, Their Analysis, and Interpretation. Chapter in: Advances in Applied Analysis, Birkhäuser, Basel, 2012, pp. 115-146.


urBane technologien

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• Matthias hauf · Zentrales Forschungsmanagement· [email protected]

Das InstItutDie Komplexität urbaner Prozesse, gesellschaftlicher Dyna-mik und digitaler Informationsräume erfordert einen inter- undtransdiszplinären Zugang in Forschung, Lehre und Praxis.

Die Fachhochschule Potsdam hat deshalb im April 2014 dasInstitut für angewandte Forschung Urbane Zukunft mit der Ab-sicht gegründet, durch angewandte Forschung aktiv die Zukunftmitzugestalten und hierbei auf die Stärken und Potenziale einer fachbereichsübergreifenden Wissenschaft zurückzugreifen.

Das Besondere am IAF Urbane Zukunft ist die enge Verankerung von Praxis in Forschung und Lehre: Wir untersuchen inter- undtransdisziplinäre Fragestellungen urbaner Entwicklungen, die in Forschungsprojekten mit externen Partnern bearbeitet und in die Lehre integriert werden. Dazu werden Partnerschaften mitKommunen, außeruniversitären Forschungseinrichtungen, Pla-nungsbüros, Unternehmen und anderen Institutionen aus der Praxis geschlossen.

ZIele unD themenUnsere Zielsetzung ist es, die Komplexität urbaner Prozesse, gesellschaftlicher Dynamik und digitaler Informationsräume zu verstehen und darauf aufbauend Orientierungswissen für eine nachhaltige urbane Entwicklung zu schaffen.

Dafür möchten wir die inter- und transdisziplinäre Perspektiven auf Städte schärfen und Kompetenz im Umgang mit den Gren-zen des Wissens entwickeln.

Eine Schlüsselkompetenz hierbei ist die Informationsvisuali-sierung als Medium für die Kommunikation und zur Vermittlung von wissenschaftlichen Erkenntnissen, um ein übergreifendesVerständnis komplexer Sachverhalte zu ermöglichen.

Unsere Handlungsfelder sind insbesondere:

» Nachhaltige Stadtentwicklung» Bauen und Wohnen» Mobilität und Verkehr» Bildung, Demografie und Kultur» Sozialstruktur

lehre unD neuer masterstuDIengangDie Komplexität der Probleme, welche Städte zu bewältigenhaben, erfordert die Zusammenarbeit vieler Disziplinen. In der Praxis sind daher zunehmend Experten gefragt, die zwischen verschiedenen Arten von Wissen zu vermitteln sowie komplexe Veränderungsprozesse zu organisieren und zu moderieren befä-higt sind.

Hier setzt das Lehrkonzept des Instituts an, welches mitInterflex- und FL2-Seminaren preisgekrönte, innovative Lehrfor-mate im Curriculum der Studierenden verankert. Gleichzeitig sollen durch die Einführung eines neuen Masterstudiengangs»Urbane Zukunft« zum Wintersemester 2016/2017 die Entschei-dungsträger_innen von morgen praxisnah ausgebildet werden.

Das Institut versteht sich somit als regionaler Katalysatorfür angewandte Forschung zum Thema urbaner Zukunft undfördert eine neue Forschungs-, Lern- und Wissenskultur an der Fachhochschule Potsdam.

» Erfahren Sie mehr über das IAF Urbane Zukunft unter www.fh-potsdam.de/forschen/urbane-zukunft

Das Institut für Angewandte Forschung Urbane Zukunft

Institut für Angewandte Forschung Urbane Zukunft

Prof. Dr. Marian Dörk

Informationsvisualisierung

FB 1 Sozialwesen

Zentrale Einrichtungfür Transfer, Unternehmen und Praxiskooperationen

FB 5 Informations-

wissenschaften

FB 2 Architektur und

Städtebau

FB 4 Design

FB 3Bauingenieur-

wesen

Promotions- und Masterkolleg

Prof. Dr. Michael Ortgiese

Leitung & Verkehrswesen

Matthias Hauf

Zentrales Forschungsmanagement

Prof. Dr. Michael Prytula

Ressourcen-optimiertes und klimaangepasstes Bauen

Prof. Dr. Tobias Schröder

Nachhaltige urbaneEntwicklungsstrategien

Prof. Dr. Harald Mieg

Forschung und InnovationProjekt FL2

Netzwerk derForschungsinstitutionen

ZETUP Fachbereiche an der FH Potsdam

Lokale Praxispartner

abbildung: struktur des iaF urbane ZukunFt und einbettung


UrbaneTechnologien

• Matthias hauf · Zentrales Forschungsmanagement· [email protected]

Das InstItutDie Komplexität urbaner Prozesse, gesellschaftlicher Dyna-mik und digitaler Informationsräume erfordert einen inter- und transdiszplinären Zugang in Forschung, Lehre und Praxis.

Die Fachhochschule Potsdam hat deshalb im April 2014 das Institut für angewandte Forschung Urbane Zukunft mit der Ab-sicht gegründet, durch angewandte Forschung aktiv die Zukunft mitzugestalten und hierbei auf die Stärken und Potenziale einer fachbereichsübergreifenden Wissenschaft zurückzugreifen.

Das Besondere am IAF Urbane Zukunft ist die enge Verankerung von Praxis in Forschung und Lehre: Wir untersuchen inter- und transdisziplinäre Fragestellungen urbaner Entwicklungen, die in Forschungsprojekten mit externen Partnern bearbeitet und in die Lehre integriert werden. Dazu werden Partnerschaften mit Kommunen, außeruniversitären Forschungseinrichtungen, Pla-nungsbüros, Unternehmen und anderen Institutionen aus der Praxis geschlossen.

ZIele unD themenUnsere Zielsetzung ist es, die Komplexität urbaner Prozesse, gesellschaftlicher Dynamik und digitaler Informationsräume zu verstehen und darauf aufbauend Orientierungswissen für eine nachhaltige urbane Entwicklung zu schaffen.

Dafür möchten wir die inter- und transdisziplinäre Perspektiven auf Städte schärfen und Kompetenz im Umgang mit den Gren-zen des Wissens entwickeln.

Eine Schlüsselkompetenz hierbei ist die Informationsvisuali-sierung als Medium für die Kommunikation und zur Vermittlung von wissenschaftlichen Erkenntnissen, um ein übergreifendes Verständnis komplexer Sachverhalte zu ermöglichen.

Unsere Handlungsfelder sind insbesondere:

» Nachhaltige Stadtentwicklung » Bauen und Wohnen » Mobilität und Verkehr » Bildung, Demografie und Kultur » Sozialstruktur

lehre unD neuer masterstuDIengangDie Komplexität der Probleme, welche Städte zu bewältigen haben, erfordert die Zusammenarbeit vieler Disziplinen. In der Praxis sind daher zunehmend Experten gefragt, die zwischen verschiedenen Arten von Wissen zu vermitteln sowie komplexe Veränderungsprozesse zu organisieren und zu moderieren befä-higt sind.

Hier setzt das Lehrkonzept des Instituts an, welches mit Interflex- und FL2-Seminaren preisgekrönte, innovative Lehrfor-mate im Curriculum der Studierenden verankert. Gleichzeitig sollen durch die Einführung eines neuen Masterstudiengangs »Urbane Zukunft« zum Wintersemester 2016/2017 die Entschei-dungsträger_innen von morgen praxisnah ausgebildet werden.

Das Institut versteht sich somit als regionaler Katalysator für angewandte Forschung zum Thema urbaner Zukunft und fördert eine neue Forschungs-, Lern- und Wissenskultur an der Fachhochschule Potsdam.

» Erfahren Sie mehr über das IAF Urbane Zukunft unter www.fh-potsdam.de/forschen/urbane-zukunft

Das Institut für Angewandte Forschung Urbane Zukunft

Institut für Angewandte Forschung Urbane Zukunft

Prof. Dr. Marian Dörk

Informationsvisualisierung

FB 1 Sozialwesen

Zentrale Einrichtung für Transfer, Unternehmen und Praxiskooperationen

FB 5 Informations-

wissenschaften

FB 2 Architektur und

Städtebau

FB 4 Design

FB 3Bauingenieur-

wesen

Promotions- und Masterkolleg

Prof. Dr. Michael Ortgiese

Leitung & Verkehrswesen

Matthias Hauf

Zentrales Forschungsmanagement

Prof. Dr. Michael Prytula

Ressourcen-optimiertes und klimaangepasstes Bauen

Prof. Dr. Tobias Schröder

Nachhaltige urbane Entwicklungsstrategien

Prof. Dr. Harald Mieg

Forschung und InnovationProjekt FL2

Netzwerk derForschungsinstitutionen

ZETUP Fachbereiche an der FH Potsdam

Lokale Praxispartner

abbildung: struktur des iaF urbane ZukunFt und einbettung


UrbaneTechnologien

• Struktur des IAF Urbane Zukunft und Einbettung

• Dipl.-geol. MAttHiAS HAuF · Zentrales forschungsmanagement · [email protected]


Urbane Technologien

• proF. Dr. yuri lucHko · Beuth hochschule für technik Berlin ·[email protected]

aufgaBEnstEllung Wasserressourcen werden zum Teil durch Recycling wiederverwendbar ge-macht. In die Reservoirs mit dem recycelten Wasser gelangt auch das Grund-wasser, dessen Qualität im besonderen Maß kontrolliert werden sollte. Sollten umweltschädliche Substanzen ins Regenwasser gelangen, sind zuver-lässige Vorhersagen der Qualität des Grundwassers eine wichtige Aufgabe. Insbesondere werden physikalische und mathematische Modelle für die Aus-breitung des Regenwassers im meistens sehr heterogenen Boden gefragt.

ctrw-modEll und fraktionalE diffusionsglEichung Wie experimentelle Daten zeigen, unterscheiden sich die Charakteristi-ka der Grundwasserdiff usion sehr wesentlich von den Vorhersagen, die im Rahmen der klassischen Diff usionstheorie gemacht werden. Insbesondere ist die Geschwindigkeit der Ausbreitung des Wassers im heterogenen Bo-den meistens viel langsamer als die, die von den klassischen Diff usionsmo-dellen vorhergesagt wird.

In diesem Bezug spricht man von der anomalen Diff usion. Auf der Mikro-Ebene kann anomale Diff usion mit einem speziellen Zufallsbewegungsmo-dell (CTRW-Modell) abgebildet werden. Im Gegensatz zum klassischen Mo-dell für die Brownsche Bewegung, basiert das CTRW-Modell auf der Idee, dass die Länge eines Sprungs eines sich zufällig bewegenden Partikels, ge-nauso wie die Wartezeit, die zwischen zwei aufeinander folgenden Sprün-gen vergeht, von einer gemeinsamen WDF bestimmt wird.

Die Hauptmerkmale eines CTRW-Prozesses sind die charakteristische War-tezeit und die Sprunglängenvarianz. Wenn sowohl die charakteristische Wartezeit als auch die Sprunglängenvarianz eines CTRW-Prozesses endlich sind, entspricht sein Langzeit-Verhalten dem der Brownschen Bewegung. Wenn die charakteristische Wartezeit divergiert, aber die Sprunglängenva-rianz endlich bleibt, kann man unter bestimmten Annahmen zeigen, dass das Langzeit-Verhalten dieses Prozesses durch eine fraktionale Diff usions-gleichung mit einer fraktionalen zeitlichen Ableitung beschrieben wird. Die Vorhersagen dieses Modells stimmen bei vielen anomalen Diff usionspro-zessen mit den experimentellen Daten sehr gut überein.

Mathematische Modelle der anomalen Diff usion des Grundwassers

• Experimentelle Daten versus Vorhersagen desklassischen Modells

• Numerische Lösungen der fraktionalen2D-Diff usionsgleichung

litEratur » Yuri Luchko, Alessandro Punzi: Modeling anomalous heat transport in geothermal reservoirs via fractional diff usion equations. International Journal on Geomathematics 1 (2011), 257-276.

» Yuri Luchko: Anomalous Diff usion: Models, Their Analysis, and Interpretation. Chapter in: Advances in Applied Analysis, Birkhäuser, Basel, 2012, pp. 115-146.


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Impressum

Mensch und Buch Verlag Choriner Straße 85 10119 Berlin

Tel.: (030) 530825-32 Fax: (030) 530825-30

Internet: www.menschundbuch.de E-Mail: [email protected]

Eine Publikation der Beuth Hochschule für Technik Berlin Luxemburger Straße 10 13353 Berlin

Tel.: (030) 4504-2043

Herausgeber/-in: Prof. Dr. rer. nat. Monika Gross (Präsidentin) Prof. Dr. rer. nat. Sebastian von Klinski (Vizepräsident für Forschung und Hochschulprozesse)

Internet: www.beuth-hochschule.de

Redaktion: Lydia Strutzberg und Marilyn Schulz

Layout: aweberdesign.de . Büro für Gestaltung Kaskelstraße 29 10317 Berlin

Cover Rendering: Thomas Nurna und Vasilios Tsitiridis bei Prof. Dr. Susanne Junker und Prof. Gerd Sedelies

Fotos Seiten 11, 13 und 14: Jürgen Daum

September 2015

ISBN: 978-3-86387-595-4

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Research Day 2015 Stadt der ZukunftTagungsband – 21.04.2015

mbvMensch und Buch Verlag ISBN: 978-3-86387-595-4

Documents

Research Day 2015 Stadt der Zukunft - Beuth Hochschule€¦ · Einreichungen Beiträge für den Research Day als Vortrag, Poster und für diesen Tagungsband ausgewählt. Ich wünsche