Durch ein zunehmendes Verkehrsaufkommen wächst die Notwendigkeit den Verkehr in irgendeiner Form "intelligent" zu organisieren. In diesem Kontext sind die sogenannten Intelligent Transportation Systems (ITS) in den Fokus der Forschung gerückt. Diese Systeme zielen in der Regel auf die dynamische Optimierung der Routenwahlen von Verkehrsteilnehmern ab und sollen dadurch die Effizienz des Verkehrs verbessern. Grundsätzlich kann die Vorstellung einer optimalen Routenwahl in eine von zwei Kategorien eingeteilt werden: das Nash Gleichgewicht und die systemoptimale Routenwahl. Während Nash Gleichgewichte vergleichsweise einfach erzielt werden können-beispielsweise dadurch, dass jeder Fahrer seine Route egoistisch optimiert-ist das Erreichen des Systemoptimums ungleich schwerer. Dieses setzt nämlich voraus, dass alle Fahrer miteinander kooperieren und gemeinsam eine Lösung finden, von der die Gesamtheit als solche profitiert. In dieser Dissertation diskutieren wir das Design eines dezentralisierten ITS, welches in der Lage ist, eine systemoptimale Routenzuweisung im Straßennetzwerk zu approximieren, so dass die Fahrzeuge den price of anarchy nicht mehr in voller Höhe bezahlen müssen. Der besondere Fokus liegt hierbei auf der Anwendbarkeit des Ansatzes in realistischen Umgebungen, in denen eine Vielzahl von Schwierigkeiten zu erwarten ist. Dies beinhaltet beispielsweise eine unvollständige oder inkorrekte Sicht auf die aktuelle Verkehrssituation, das Fehlen von Wissen über Fahrzeuge, die erst in der Zukunft das Straßennetz betreten sowie ein nicht perfekter oder ressourcenlimitierter Kommunikationskanal. / The increasing amount of road traffic necessitates approaches that somehow "intelligently" organize traffic. In this context, the study of intelligent transportation systems (ITS) has been performed for some time. The goals of such systems include, e.g., is the dynamic optimization of route choices in a road network and hence the improvement of traffic conditions. There are two main methodologies how an optimization can be performed: the optimization towards a Nash equilibrium or towards a system optimum. While Nash equilibria can be easily reached, e.g., when every driver selfishly optimizes his own route, reaching the system optimum is a challenging task and requires all drivers to cooperate in an altruistic manner in favor of the system from a global perspective. In this work, we discuss the design of a decentralized ITS that is capable of approximating system optimal route choices in the network avoiding that the drivers have to pay the full price of anarchy. The focus, in this context, lies on the applicability to real life situations where a number of difficulties has to be expected, e.g., an incomplete or incorrect view on the current traffic situation, the lack of future knowledge and an imperfect or limited communication channel. Facing these challenging questions, we develop solutions to a number of research questions, that arise from the aforementioned difficulties. Before we can do so, we focus on the fundamental concepts of traffic optimization with an emphasis both on the theoretical concepts as well as their applicability in real world environments.

Immer wenn neue Anforderungen an ein System gestellt werden, müssen die Korrektheit und Konsistenz der Systemspezifikation überprüft werden, was in der Praxis in der Regel manuell erfolgt. Eine mögliche Option, um die Nachteile dieser manuellen Analyse zu überwinden, ist das sogenannte Contract-Based Design. Dieser Entwurfsansatz kann den Verifikationsprozess zur Überprüfung, ob die Anforderungen auf oberster Ebene konsistent verfeinert wurden, automatisieren. Die Verifikation kann somit iterativ durchgeführt werden, um die Korrektheit und Konsistenz des Systems angesichts jeglicher Änderung der Spezifikationen sicherzustellen. Allerdings ist es aufgrund der mangelnden Benutzerfreundlichkeit und der Schwierigkeiten bei der Interpretation von Verifizierungsergebnissen immer noch eine Herausforderung, formale Ansätze in der Industrie einzusetzen. Stellt beispielsweise der Model Checker bei der Verifikation eine Inkonsistenz fest, generiert er ein Gegenbeispiel (Counterexample) und weist gleichzeitig darauf hin, dass die gegebenen Eingabespezifikationen inkonsistent sind. Hier besteht die gewaltige Herausforderung darin, das generierte Gegenbeispiel zu verstehen, das oft sehr lang, kryptisch und komplex ist. Darüber hinaus liegt es in der Verantwortung der Ingenieurin bzw. des Ingenieurs, die inkonsistente Spezifikation in einer potenziell großen Menge von Spezifikationen zu identifizieren. Diese Arbeit schlägt einen Ansatz zur Erklärung von Gegenbeispielen (Counterexample Explanation Approach) vor, der die Verwendung von formalen Methoden vereinfacht und fördert, indem benutzerfreundliche Erklärungen der Verifikationsergebnisse der Ingenieurin bzw. dem Ingenieur präsentiert werden. Der Ansatz zur Erklärung von Gegenbeispielen wird mittels zweier Methoden evaluiert: (1) Evaluation anhand verschiedener Anwendungsbeispiele und (2) eine Benutzerstudie in Form eines One-Group Pretest-Posttest Experiments. / Whenever new requirements are introduced for a system, the correctness and consistency of the system specification must be verified, which is often done manually in industrial settings. One viable option to traverse disadvantages of this manual analysis is to employ the contract-based design, which can automate the verification process to determine whether the refinements of top-level requirements are consistent. Thus, verification can be performed iteratively to ensure the system’s correctness and consistency in the face of any change in specifications. Having said that, it is still challenging to deploy formal approaches in industries due to their lack of usability and their difficulties in interpreting verification results. For instance, if the model checker identifies inconsistency during the verification, it generates a counterexample while also indicating that the given input specifications are inconsistent. Here, the formidable challenge is to comprehend the generated counterexample, which is often lengthy, cryptic, and complex. Furthermore, it is the engineer’s responsibility to identify the inconsistent specification among a potentially huge set of specifications. This PhD thesis proposes a counterexample explanation approach for formal methods that simplifies and encourages their use by presenting user-friendly explanations of the verification results. The proposed counterexample explanation approach identifies and explains relevant information from the verification result in what seems like a natural language statement. The counterexample explanation approach extracts relevant information by identifying inconsistent specifications from among the set of specifications, as well as erroneous states and variables from the counterexample. The counterexample explanation approach is evaluated using two methods: (1) evaluation with different application examples, and (2) a user-study known as one-group pretest and posttest experiment.

In dieser Arbeit geht es um die schrittweise Verfeinerung verteilter Algorithmen. Dabei wird ein einfacher Algorithmus, der einige gewünschte Eigenschaften hat, Schritt für Schritt zu einem komplexen Algorithmus verfeinert, der konkrete Implementationsanforderungen erfüllt, so daß in jedem Schritt die gewünschten Eigenschaften erhalten bleiben. Wir stellen einen neuen eigenschaftserhaltenden Verfeinerungsbegriff vor, der auf der kausalen Ordnung der Aktionen eines Algorithmus basiert. Diesen Begriff definieren wir als Transitionsverfeinerung für elementare Petrinetze und diskutieren Beweiskriterien. Danach definieren und diskutieren wir die simultane Verfeinerung mehrerer Transitionen. Zur Modellierung komplexer verteilter Algorithmen sind elementare Petrinetze oft nicht adäquat. Wir benutzen deshalb algebraische Petrinetze. Wir definieren Transitionsverfeinerung für algebraische Petrinetze und stellen einen Zusammenhang zur simultanen Verfeinerung von Transitionen in elementaren Petrinetzen her. Transitionsverfeinerung ist besonders für Verfeinerungsschritte geeignet, in denen synchrone Kommunikation zwischen Agenten durch asynchronen Nachrichtenaustausch ersetzt wird. Wir zeigen dies am Beispiel eines komplexen verteilten Algorithmus, zur Berechnung des minimalen spannenden Baumes in einem gewichteten Graphen. Wir zeigen die Korrektheit dieses Algorithmus in mehreren Schritten, von denen einige Schritte Transitionsverfeinerungen sind. In anderen Schritten sind klassische Verfeinerungsbegriffe ausreichend. Wir übertragen deshalb auch einen klassischen Verfeinerungsbegriff in unser formales Modell. / The topic of this PhD thesis is the stepwise refinement of distributed algorithms. Stepwise refinement starts with a simple algorithm with certain desired properties. This algorithm is refined step by step such that the desired properties are preserved in each refinement step. The result is a complex distributed algorithm which satisfies concrete implementation requirements and which still has the desired properties. We propose a new property preserving notion of refinement which is based on the causal ordering of actions of an algorithm. We call this notion transition refinement and we define it first for elementary Petri nets. Furthermore, we discuss proof criteria. Then, we define and discuss the simultaneous refinement of several transitions. For modelling complex distributed algorithms, we use algebraic Petri nets instead of elementary Petri nets. We define transition refinement for algebraic Petri nets, and we show its relationship to simultaneous transition refinement in elementary Petri nets. Transition refinement is particularly suitable for refinement steps in which synchronous communication between agents is replaced by asynchronous message passing. We show this by means of a complex distributed algorithm for determining the minimal spanning tree of a weighted graph. We prove the correctness of this algorithm in several steps. Some of these steps are transition refinements. For other steps, well-known notions of refinement are sufficient. Therefore, we also carry over a well-known notion of refinement into our formal model.

Diese Arbeit befasst sich mit Worst-Case-Algorithmen für das Erfüllbarkeitsproblem boolescher Ausdrücke in konjunktiver Normalform. Im Wesentlichen betrachten wir Laufzeitschranken drei verschiedener Algorithmen, zwei für 3-SAT und einen für Unique-k-SAT. Wir entwickeln einen randomisierten Algorithmus, der eine Lösung eines erfüllbaren 3-KNF-Ausdrucks G mit n Variablen mit einer erwarteten Laufzeit von O(1.32793^n) findet. Der Algorithmus basiert auf der Analyse sogenannter Strings, welche Sequenzen von Klauseln der Länge drei sind. Dabei dürfen einerseits nicht aufeinanderfolgende Klauseln keine Variablen und andererseits aufeinanderfolgende Klauseln ein oder zwei Variablen gemeinsam haben. Gibt es wenige Strings, so treffen wir wahrscheinlich bereits während der String-Suche auf eine Lösung von G. 1999 entwarf Schöning einen Algorithmus mit einer Schranke von O(1.3334^n) für 3-SAT. Viele Strings erlauben es, die Laufzeit dieses Algorithmusses zu verbessern. Weiterhin werden wir den PPSZ-Algorithmus für Unique-k-SAT derandomisieren. Der 1998 von Paturi, Pudlak, Saks und Zane vorgestellte PPSZ-Algorithmus hat die besondere Eigenschaft, dass die Lösung eines eindeutig erfüllbaren 3-KNF-Ausdrucks in höchstens O(1.3071^n) erwarteter Laufzeit gefunden wird. Die derandomisierte Variante des Algorithmusses für Unique-k-SAT hat im Wesentlichen die gleiche Laufzeitschranke. Wir erreichen damit die momentan beste deterministische Worst-Case-Schranke für Unique-k-SAT. Zur Derandomisierung wenden wir die "Methode der kleinen Zufallsräume" an. Schließlich verbessern wir die Schranke für den Algorithmus von Iwama und Tamaki. 2003 kombinierten Iwama und Tamaki den PPSZ-Algorithmus mit Schönigs Algorithmus und konnten eine Schranke von O(1.3238^n) bewiesen. Um seinen Beitrag zum kombinierten Algorithmus zu steigern, justieren wir die Schranke des PPSZ-Algorithmusses. Damit erhalten wir die momentan beste randomisierte Worst-Case-Schranke für das 3-SAT-Problem von O(1.32216^n). / This work deals with worst-case algorithms for the satisfiability problem regarding boolean formulas in conjunctive normal form. The main part of this work consists of the analysis of the running time of three different algorithms, two for 3-SAT and one for Unique-k-SAT. We establish a randomized algorithm that finds a satisfying assignment for a satisfiable 3-CNF formula G on n variables in O(1.32793^n) expected running time. The algorithm is based on the analysis of so-called strings, which are sequences of clauses of size three, whereby non-succeeding clauses do not share a variable, and succeeding clauses share one or two variables. If there are not many strings, it is likely that we already encounter a solution of G while searching for strings. In 1999, Schöning proved a bound of O(1.3334^n) for 3-SAT. If there are many strings, we use them to improve the running time of Schöning''s algorithm. Furthermore, we derandomize the PPSZ algorithm for Unique-k-SAT. The PPSZ algorithm presented by Paturi, Pudlak, Saks, and Zane in 1998 has the feature that the solution of a uniquely satisfiable 3-CNF formula can be found in expected running time at most O(1.3071^n). In general, we will obtain a derandomized version of the algorithm for Unique-k-SAT that has essentially the same bound as the randomized version. This settles the currently best known deterministic worst-case bound for the Unique-k-SAT problem. We apply the `Method of Small Sample Spaces'' in order to derandomize the algorithm. Finally, we improve the bound for the algorithm of Iwama and Tamaki to get the currently best known randomized worst-case bound for the 3-SAT problem of O(1.32216^n). In 2003 Iwama and Tamaki combined Schöning''s and the PPSZ algorithm to yield an O(1.3238^n) bound. We tweak the bound for the PPSZ algorithm to get a slightly better contribution to the combined algorithm.

In den letzten Jahren kommen immer mehr nicht perspektivische Kamerasysteme beim maschinellen Sehen zur Anwendung, die vor allem ein deutlich erweitertes Blickfeld bieten. Das klassische perspektivische Abbildungsmodell lässt sich hier häufig nicht mehr erfolgreich anwenden. In dieser Arbeit wird ein generisches Abbildungsmodell vorgestellt, welches übliche Kamerasysteme akkurat modellieren kann. Solche Kamerasysteme schließen insbesondere klassische perspektivische Systeme, aber auch Fischaugen- und Spiegellinsen-Kamerasysteme ein. Die Nutzung eines einheitlichen Abbildungsmodells ermöglicht schließlich eine einfache Verwendung und Kalibrierung von heterogenen Stereokamerasystemen, also einer Kombination von unterschiedlichen Kameratypen, die vorteilhafte Eigenschaften gegenüber klassischen Stereosystemen bieten. Nicht zuletzt trägt die in dieser Arbeit vorgestellte einheitliche Modellierung und Kalibrierung von Mono- und Stereokamerasystemen dazu bei, Fehler durch falschen Umgang oder falsche Wahl von Methoden der Modellierung oder Kalibrierung zu vermeiden und den Kamerakalibrierprozess insgesamt zu vereinfachen. In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze der Modellierung untersucht und evaluiert. Es wurde eine generische Modellierung vorgeschlagen, die die untersuchten spezifischen Abbildungsmodelle vollständig ersetzen kann. Für die Kalibrierung nicht linearer Abbildungsmodelle wurde eine einheitliche Methode zur Startwertbestimmung vorgeschlagen und evaluiert. Die Genauigkeit der Kalibrierung mittels einheitlicher Methoden wurde anhand diverser realer Kamerasysteme untersucht und bewertet. Es konnte gezeigt werden, dass die dabei auftretenden Fehler deutlich im Subpixelbereich liegen. Durch Erweiterung des klassischen Konzepts der Epipolargeometrie um die generische Abbildungsmodellierung konnten schließlich heterogene Stereokamerasysteme kalibriert und genaue Stereomodelle abgeleitet werden. / The application of perspective camera systems in photogrammetry and computer vision is state of the art. In recent years non-perspective and especially omnidirectional camera systems have increasingly been used in close-range photogrammetry tasks. In general, the perspective camera model, i.e. pinhole model, cannot be applied when using non-perspective camera systems. However, several camera models for different omnidirectional camera systems are proposed in literature. Using different types of cameras in a heterogeneous camera system may lead to an advantageous combination. The advantages of different camera systems, e.g. field of view and resolution, result in a new enhanced camera system. If these different kinds of cameras can be modeled, using a unified camera model, the total calibration process can be simplified. Sometimes it is not possible to give the specific camera model in advance. In these cases a generic approach is helpful too. Furthermore, a simple stereo reconstruction becomes possible when using a fisheye and a perspective camera for example. In this work camera models for perspective, wide-angle and omnidirectional camera systems were evaluated. A generic camera model were introduced that fully substitutes specific camera models. The crucial initialization of the model''s parameters is conducted using a new generic method that is independent of the particular camera system. The accuracy of this generic camera calibration approach is validated by the calibration of a dozen of real camera systems up to subpixel accuracy. Finally, it has been shown that a unified method of modeling, parameter approximation and calibration of interior and exterior orientation can be applied to a generic stereo system to derive precise 3D object data.

Die Kernaufgabe der parameterisierten Komplexität ist zu verstehen, wie Eingabestruktur die Problemkomplexität beeinflusst. Wir untersuchen diese Fragestellung aus einer granularen Perspektive und betrachten Problem-Parameter-Kombinationen mit einfach exponentieller Laufzeit, d.h., Laufzeit a^k n^c, wobei n die Eingabegröße ist, k der Parameterwert, und a und c zwei positive Konstanten sind. Unser Ziel ist es, die optimale Laufzeitbasis a für eine gegebene Kombination zu bestimmen. Für viele Zusammenhangsprobleme, wie Connected Vertex Cover oder Connected Dominating Set, ist die optimale Basis bezüglich dem Parameter Baumweite bekannt. Die Baumweite gehört zu der Klasse der Weiteparameter, welche auf natürliche Weise zu Algorithmen mit dem Prinzip der dynamischen Programmierung führen. Im ersten Teil dieser Dissertation untersuchen wir, wie sich die optimale Laufzeitbasis für diverse Zusammenhangsprobleme verändert, wenn wir zu ausdrucksstärkeren Weiteparametern wechseln. Wir entwerfen neue parameterisierte Algorithmen und (bedingte) untere Schranken, um diese optimalen Basen zu bestimmen. Insbesondere zeigen wir für die Parametersequenz Baumweite, modulare Baumweite, und Cliquenweite, dass die optimale Basis von Connected Vertex Cover bei 3 startet, sich erst auf 5 erhöht und dann auf 6, wobei hingegen die optimale Basis von Connected Dominating Set bei 4 startet, erst bei 4 bleibt und sich dann auf 5 erhöht. Im zweiten Teil gehen wir über Weiteparameter hinaus und analysieren restriktivere Arten von Parametern. Für die Baumtiefe entwerfen wir platzsparende Verzweigungsalgorithmen. Die Beweistechniken für untere Schranken bezüglich Weiteparametern übertragen sich nicht zu den restriktiveren Parametern, weshalb nur wenige optimale Laufzeitbasen bekannt sind. Um dies zu beheben untersuchen wir Knotenlöschungsprobleme. Insbesondere zeigen wir, dass die optimale Basis von Odd Cycle Transversal parameterisiert mit einem Modulator zu Baumweite 2 den Wert 3 hat. / The question at the heart of parameterized complexity is how input structure governs the complexity of a problem. We investigate this question from a fine-grained perspective and study problem-parameter-combinations with single-exponential running time, i.e., time a^k n^c, where n is the input size, k the parameter value, and a and c are positive constants. Our goal is to determine the optimal base a for a given combination. For many connectivity problems such as Connected Vertex Cover or Connecting Dominating Set, the optimal base is known relative to treewidth. Treewidth belongs to the class of width parameters, which naturally admit dynamic programming algorithms. In the first part of this thesis, we study how the optimal base changes for these connectivity problems when going to more expressive width parameters. We provide new parameterized dynamic programming algorithms and (conditional) lower bounds to determine the optimal base, in particular, we obtain for the parameter sequence treewidth, modular-treewidth, clique-width that the optimal base for Connected Vertex Cover starts at 3, increases to 5, and then to 6, whereas the optimal base for Connected Dominating Set starts at 4, stays at 4, and then increases to 5. In the second part, we go beyond width parameters and study more restrictive parameterizations like depth parameters and modulators. For treedepth, we design space-efficient branching algorithms. The lower bound techniques for width parameterizations do not carry over to these more restrictive parameterizations and as a result, only a few optimal bases are known. To remedy this, we study standard vertex-deletion problems. In particular, we show that the optimal base of Odd Cycle Transversal parameterized by a modulator to treewidth 2 is 3. Additionally, we show that similar lower bounds can be obtained in the realm of dense graphs by considering modulators consisting of so-called twinclasses.

Für einen Algorithmus zum Lösen eines Graphenproblems wird üblicherweise angenommen, dieser sei mit wahlfreiem Zugriff (random access) auf den Eingabegraphen G ausgestattet, als auch mit einem Arbeitsspeicher, der G vollständig aufzunehmen vermag. Diese Annahmen erweisen sich als fragwürdig, wenn Graphen betrachtet werden, deren Größe jene konventioneller Arbeitsspeicher übersteigt. Solche Graphen können nur auf externen Speichern wie Festplatten oder Magnetbändern vorrätig gehalten werden, auf denen wahlfreier Zugriff sehr zeitaufwändig ist. Um riesige Graphen zu bearbeiten, die auf externen Speichern liegen, hat Muthukrishnan 2003 das Modell eines Semi-Streaming Algorithmus vorgeschlagen. Dieses Modell beschränkt die Größe des Arbeitsspeichers und verbietet den wahlfreien Zugriff auf den Eingabegraphen G. Im Gegenteil wird angenommen, die Eingabe sei ein Datenstrom bestehend aus Kanten von G in beliebiger Reihenfolge. In der vorliegenden Dissertation entwickeln wir Algorithmen im Semi-Streaming Modell für verschiedene Graphenprobleme. Für das Testen des Zusammenhangs und der Bipartität eines Graphen, als auch für die Berechnung eines minimal spannenden Baumes stellen wir Algorithmen vor, die asymptotisch optimale Laufzeiten erreichen. Es ist bekannt, dass kein Semi-Streaming Algorithmus existieren kann, der ein größtes gewichtetes Matching in einem Graphen findet. Für dieses Problem geben wir den besten bekannten Approximationsalgorithmus an. Schließlich zeigen wir, dass sowohl ein minimaler als auch ein maximaler Schnitt in einem Graphen nicht von einem Semi-Streaming Algorithmus berechnet werden kann. Für beide Probleme stellen wir randomisierte Approximationsalgorithmen im Semi-Streaming Modell vor. / An algorithm solving a graph problem is usually expected to have fast random access to the input graph G and a working memory that is able to store G completely. These powerful assumptions are put in question by massive graphs that exceed common working memories and that can only be stored on disks or even tapes. Here, random access is very time-consuming. To tackle massive graphs stored on external memories, Muthukrishnan proposed the semi-streaming model in 2003. It permits a working memory of restricted size and forbids random access to the input graph. In contrast, the input is assumed to be a stream of edges in arbitrary order. In this thesis we develop algorithms in the semi-streaming model approaching different graph problems. For the problems of testing graph connectivity and bipartiteness and for the computation of a minimum spanning tree, we show how to obtain running times that are asymptotically optimal. For the problem of finding a maximum weighted matching, which is known to be intractable in the semi-streaming model, we present the best known approximation algorithm. Finally, we show the minimum and the maximum cut problem in a graph both to be intractable in the semi-streaming model and give semi-streaming algorithms that approximate respective solutions in a randomized fashion.

Roboter-Ego-Noise, auch „Eigengeräusche“ genannt, sind Geräusche, die ein Roboter durch Bewegung (z. B. durch Reibung von Motoren und Aktuatoren) oder im Ruhezustand (z. B. durch Lüfter) erzeugt. Bei Robotern mit Mikrofonen kann dieses Ego-Noise die Audiosignalverarbeitung stören. Statt es wie üblich als Störfaktor zu betrachten, wird in dieser Arbeit Ego-Noise als nützliche Informationsquelle untersucht, die Einblicke in den Zustand des Roboters und seiner Umgebung bietet. Es könnte sogar dabei helfen, ähnliche Roboter zu erkennen oder deren Bewegungsmuster zu analysieren. Die Arbeit verfolgt drei Ziele: (1) geeignete Darstellungen von Ego-Noise-Merkmalen zu entwickeln, (2) sensomotorische Abbildungen mit Ego-Noise zu integrieren und (3) den Nutzen von Ego-Noise für mobile Roboter zu bewerten. Dazu werden theoretische Modelle (Vorwärts- und Inversmodelle) verwendet, die durch „motorisches Brabbeln“ – ein kindliches Explorationsverhalten – inspiriert sind. Experimente zeigen, wie Ego-Noise zur Geländeerkennung (z. B. Hangneigungen), Echolokalisierung und Bewegungssimulation eingesetzt werden kann. Zudem wird untersucht, wie Roboter synthetische Audiodaten erzeugen und über Ego-Noise miteinander kommunizieren können. Die Ergebnisse zeigen, dass Ego-Noise die Umweltwahrnehmung und Interaktion von Robotern verbessern und neue Kommunikationsstrategien ermöglichen kann. / Robot ego-noise refers to the sounds robots generate during movement, primarily from motor and actuator friction, or even when stationary, due to components like cooling fans. This noise often interferes with audio signal processing, reducing algorithmic performance. However, this research treats ego-noise as a valuable sensory signal, offering insights into the robot’s state and surroundings. It may even assist in identifying nearby robots and analyzing their motion patterns. This thesis has three main objectives: (1) to develop computationally suitable representations of ego-noise features, (2) to create sensorimotor mappings that utilize these features, and (3) to explore ego-noise as a source of useful information for mobile robots. Using a framework of internal models, including forward (predictor) and inverse (controller) models, the study employs a learning method inspired by infant "motor babbling." It examines how ego-noise can provide information for various tasks, such as detecting terrain changes like slopes, echolocation for wall proximity, and movement imitation based on ego-noise. Additionally, the integration of forward and inverse models enables robots to synthesize audio from motion and share it with other robots. This research highlights how ego-noise can enhance robots’ environmental interaction and, when combined with other sensors, improve perception in complex scenarios.

Diese Arbeit fokussiert auf die Integration von Web Anfrageschnittstellen (Web Formularen). Wir identifizieren mehrere Schritte für den Integrationsprozess: Im ersten Schritt werden unbekannte Anfrageschnittstellen auf ihre Anwendungsdomäne hin analysiert. Im zweiten Schritt werden die Anfrageschnittstellen in ein maschinenlesbares Format transformiert (Extraktion). Im dritten Schritt werden Paare semantisch gleicher Elemente zwischen den verschiedenen zu integrierenden Anfragesschnittstellen identifiziert (Matching). Diese Schritte bilden die Grundlage, um Systeme, die eine integrierte Sicht auf die verschiedenen Datenquellen bieten, aufsetzen zu können. Diese Arbeit beschreibt neuartige Lösungen für alle drei der genannten Schritte. Der erste zentrale Beitrag ist ein Exktraktionsalgorithmus, der eine kleine Zahl von Designregeln dazu benutzt, um Schemabäume abzuleiten. Gegenüber früheren Lösungen, welche in der Regel lediglich eine flache Schemarepräsentation anbieten, ist der Schemabaum semantisch reichhaltiger, da er zusätzlich zu den Elementen auch Strukturinformationen abbildet. Der Extraktionsalgorithmus erreicht eine verbesserte Qualität der Element-Extraktion verglichen mit Vergängermethoden. Der zweite Beitrag der Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Matching-Methode. Hierbei ermöglicht die Repräsentation der Schnittstellen als Schemabäume eine Verbesserung vorheriger Methoden, indem auch strukturelle Aspekte in den Matching-Algorithmus einfließen. Zusätzlich wird eine globale Optimierung durchgeführt, welche auf der Theorie der bipartiten Graphen aufbaut. Als dritten Beitrag entwickelt die Arbeit einen Algorithms für eine Klassifikation von Schnittstellen nach Anwendungsdomänen auf Basis der Schemabäume und den abgeleiteten Matches. Zusätzlich wird das System VisQI vorgestellt, welches die entwickelten Algorithmen implementiert und eine komfortable graphische Oberfläche für die Unterstützung des Integrationsprozesses bietet. / This thesis focuses on the integration of Web query interfaces. We model the integration process in several steps: First, unknown interfaces have to be classified with respect to their application domain (classification); only then a domain-wise treatment is possible. Second, interfaces must be transformed into a machine readable format (extraction) to allow their automated analysis. Third, as a pre-requisite to integration across databases, pairs of semantically similar elements among multiple interfaces need to be identified (matching). Only if all these tasks have been solved, systems that provide an integrated view to several data sources can be set up. This thesis presents new algorithms for each of these steps. We developed a novel extraction algorithm that exploits a small set of commonsense design rules to derive a hierarchical schema for query interfaces. In contrast to prior solutions that use mainly flat schema representations, the hierarchical schema better represents the structure of the interfaces, leading to better accuracy of the integration step. Next, we describe a multi-step matching method for query interfaces which builds on the hierarchical schema representation. It uses methods from the theory of bipartite graphs to globally optimize the matching result. As a third contribution, we present a new method for the domain classification problem of unknown interfaces that, for the first time, combines lexical and structural properties of schemas. All our new methods have been evaluated on real-life datasets and perform superior to previous works in their respective fields. Additionally, we present the system VisQI that implements all introduced algorithmic steps and provides a comfortable graphical user interface to support the integration process.

Process Mining ermöglicht die Analyse von Event Logs. Jede Aktivität ist durch ein Event in einem Trace recorded, welcher jeweils einer Prozessinstanz entspricht. Traces können sensible Daten, z.B. über Patienten enthalten. Diese Dissertation adressiert Datenschutzrisiken für Trace Daten und Process Mining. Durch eine empirische Studie zum Re-Identifikations Risiko in öffentlichen Event Logs wird die hohe Gefahr aufgezeigt, aber auch weitere Risiken sind von Bedeutung. Anonymisierung ist entscheidend um Risiken zu adressieren, aber schwierig weil gleichzeitig die Verhaltensaspekte des Event Logs erhalten werden sollen. Dies führt zu einem Privacy-Utility-Trade-Off. Dieser wird durch neue Algorithmen wie SaCoFa und SaPa angegangen, die Differential Privacy garantieren und gleichzeitig Utility erhalten. PRIPEL ergänzt die anonymiserten Control-flows um Kontextinformationen und ermöglich so die Veröffentlichung von vollständigen, geschützten Logs. Mit PRETSA wird eine Algorithmenfamilie vorgestellt, die k-anonymity garantiert. Dafür werden privacy-verletztende Traces miteinander vereint, mit dem Ziel ein möglichst syntaktisch ähnliches Log zu erzeugen. Durch Experimente kann eine bessere Utility-Erhaltung gegenüber existierenden Lösungen aufgezeigt werden. / Process mining analyzes business processes using event logs. Each activity execution is recorded as an event in a trace, representing a process instance's behavior. Traces often hold sensitive info like patient data. This thesis addresses privacy concerns arising from trace data and process mining. A re-identification risk study on public event logs reveals high risk, but other threats exist. Anonymization is vital to address these issues, yet challenging due to preserving behavioral aspects for analysis, leading to a privacy-utility trade-off. New algorithms, SaCoFa and SaPa, are introduced for trace anonymization using noise for differential privacy while maintaining utility. PRIPEL supplements anonymized control flows with trace contextual info for complete protected logs. For k-anonymity, the PRETSA algorithm family merges privacy-violating traces based on a prefix representation of the event log, maintaining syntactic similarity. Empirical evaluations demonstrate utility improvements over existing techniques.