In einer zunehmend komplexen und dynamischen Welt sind Unternehmen mit zahlreichen Herausforderungen konfrontiert: Permanenter technologischer Fortschritt, verschärfter globaler Wettbewerb bei simultan knapper werdenden Ressourcen. Neben der Gewinnung von Rohstoffen und Energieträgern sind auch die Beschaffung von Information und geeigneten Personen (Stichwort demographischer Wandel) zunehmend heraufordernd. Gleichzeitig wird von Unternehmen die Übernahme von gesellschaftlicher und ökologischer Verantwortung verstärkt eingefordert. Diese Entwicklungen sorgen in ihrer Gänze dafür, dass Unternehmen Nachhaltigkeit nicht mehr als „grünen“ Zusatz, sondern als strategische Notwendigkeit begreifen. Nachhaltigkeit zielt als integratives Gesamtkonzept auf die sogenannte Triple-Bottom-Line aus interdependenter ökonomischer, ökologischer und sozialer Nachhaltigkeit, so dass die Beschäftigung mit dem Themengebiet eine besondere Komplexität aufweist. Gleichzeitig erlaubt die Durchdringung sämtlicher Lebens- und Wirtschaftsbereiche mit Informationstechnik und Informationstechnologie (IT) die Nutzung von IT als Enabler für die Erreichung von Nachhaltigkeit. Da für IT aber auch Ressourcen genutzt werden, muss auch die IT selbst Gegenstand von Nachhaltigkeitsbemühungen sein. In der vorliegenden Schrift wird dies adressiert, indem untersucht wird wie nachhaltige IT genutzt werden kann, um Unternehmen nachhaltiger zu gestalten. Dabei wird unter dem Begriff Nachhaltige IT sowohl IT als Enabler für wie auch als Gegenstand von Nachhaltigkeitsbemühungen inkludiert. In einem ersten Schritt wird der Status Quo in Forschung und Praxis der Wirtschaftsinformatik untersucht. Darauf aufbauend werden konkrete Artefakte konstruiert und diskutiert, bevor schließlich die Fragestellung untersucht wird, wie nachhaltige IT auf der Ebene der (IT-)Führung, insbesondere durch Weiterbildung und IT-Governance, verankert werden kann.

Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick in gängige Verfahren, Texturen sprachlich und mathematisch zu beschreiben sowie über häufig genutzte Methoden der fernerkundlichen Veränderungsanalyse. Ferner werden grundlegende Ansätze zur Qualitätsbewertung erläutert. Darauf aufbauend wird ein neues, dreigliedriges, kombiniertes Verfahren der Veränderungsanalyse für die Anwendung in urbanen Katastrophengebieten vorgestellt. Nach einer Anforderungsanalyse zur Determinierung der genauen Spezifikationen wird hierfür zuerst die Eignung von Texturmerkmalen zur Charakterisierung unterschiedlicher Oberflächen untersucht mit dem Ergebnis, dass das haralicksche Texturmerkmal „Energy“ eine gute Möglichkeit zur Differenzierung von Landbedeckungsklassen darstellt. Im Anschluss wird ein neuer Verfahrensansatz einer kombinierten Veränderungsanalyse vorgestellt und exemplarisch evaluiert, mit dem Resultat, dass die durch eine Farbtexturanalyse und Hauptkomponententransformation automatisiert abgeleitete texturelle Veränderungsinformationen allein zu viele Veränderungen in urbanen Katastrophengebieten anzeigen. Aus diesem Grund werden die texturbasierten Veränderungsinformationen mit spektralen, korrelationsbasierten Veränderungsinformationen über ein entscheidungsbasiertes Netzwerk miteinander kombiniert, um die Veränderung an einzelnen Gebäuden zu determinieren. Basierend auf diesen binären Veränderungsinformationen wird das Ausmaß des Schadens regionsbasiert in Schadensintervallen visualisiert und klassenbasiert evaluiert. Im Ergebnis konnte die exemplarische Einsetzbarkeit und Übertragbarkeit des entwickelten Verfahrens an zwei unterschiedlichen Fallbeispielen demonstriert werden, wobei Gesamtgenauig-keiten von 80,19 % bis 97,69 % erzielt worden sind.

In vielen industriellen Anwendungen kooperieren mobile Maschinen, um ein gemeinsames Prozessziel zu erreichen. Durch den Transfer von Technologien und Verfahren aus der Robotik agieren einzelne mobile Maschinen in vielen Bereichen bereits (teil)autonom. Der nächste Schritt der Automatisierung erfordert die Koordination von robotischen Systemen zur Erreichung bestimmter gemeinsamer Prozessziele. Um die Kooperation von roboterisierten mobilen Maschinen oder von mobilen Robotern allgemein zu ermöglichen, müssen ihre Pläne raumzeitlich aufeinander abgestimmt werden. In dieser Arbeit wird ein Planungssystem für ein kooperatives Ernteszenario aus dem Anwendungsbereich der Infield-Transportlogistik vorgestellt. In dem Szenario agieren ein Mähdrescher und ein Transportfahrzeug kooperativ, um den Ernte- und Transportprozess effizient ausführen zu können. Ein maschinenübergreifender Planungsschritt optimiert die Logistik des Gesamtprozesses. Ein weiterer, maschinenspezifischer Planungsschritt generiert aus dem gemeinsamen Prozessplan aller Fahrzeuge einen ausführbaren Teilplan für jedes einzelne Feldfahrzeug. Die Pläne werden aufgrund der Online-Problematik des Ernteszenarios während der Prozessausführung bei Bedarf dynamisch neu berechnet. Diese Arbeit zeigt die Umsetzbarkeit raumzeitlicher Planungssysteme für kooperative mobile Roboter in realen Anwendungsszenarien.

Diese kumulative Dissertation richtet sich sowohl an die Wissenschaft als auch an die Unternehmenspraxis. Das übergeordnete Ziel ist, in dem Feld der nachhaltigen Logistik, Entwicklungsperspektiven und Handlungsempfehlungen zu eruieren, wobei der Fokus auf dem Einsatz von Informationssystemen als Untersuchungsobjekt liegt. Durch die Verwendung etablierter Forschungsmethoden wird die wissenschaftliche Rigorosität sichergestellt. Neben der Verwendung wissenschaftlicher Literatur werden an mehreren Stellen Fallstudien und Experteninterviews integriert, so dass das Wissen der Praxis ebenfalls eingebunden wird und somit u. a. die Relevanz der Forschung sichergestellt wird. Im Rahmen dieser Arbeit werden Methoden, Modelle und Applikationen entwickelt, welche zur Beantwortung der folgenden übergeordneten Forschungsfragen herangezogen werden: 1. Was ist der aktuelle Status Quo des IKT Einsatzes in der nachhaltigen Logistik und welche Forschungslücken existieren? 2. Wie kann Nachhaltigkeit in Logistik-Unternehmen oder für logistische Dienstleistungen gemessen und bewertet werden und welche Handlungsempfehlungen ergeben sich aus der Bewertung? 3. Wie kann die nachhaltige Erwartungshaltung der Kunden in die strategischen und operativen Ziele eines Logistik-Dienstleisters überführt werden? 4. Welchen Einfluss hat die Digitalisierung auf die (nachhaltige) Logistik? Im Rahmen der ersten Forschungsfrage wurden offenen Forschungsfragen als auch neue Trends in der Forschung (u.a. mit Hilfe des entwickelten ScienceMiners) eruiert. Diese Erkenntnisse bildeten auch die Basis für die Forschung in den weiteren Beiträgen. Für die Beantwortung der zweiten Forschungsfrage wurde ein Portal entwickelt, mit dem (Logistik-)Unternehmen ihr Umweltmanagement bewerten können und Handlungsempfehlungen zur Verbesserung aufgezeigt bekommen. Zudem wurde eine Methode zur Messung der Erwartungshaltung der Kunden (Forschungsfrage 3) entwickelt. Diese Erwartungen können anschließend in die strategischen und über eine Zielkostenrechnung in die operativen Ziele des Logistik-Dienstleisters überführt werden. Der Einfluss der Digitalisierung auf die (nachhaltige) Logistik (vierte Forschungsfrage) wurde zum einen zum Thema Big Data und zum anderen mit dem Fokus auf Crowd Logistics ermittelt. Als Ergebnis wurde ein (Referenz-)Geschäftsmodell für die nachhaltige Implementierung von Crowd Logistics Dienstleitungen entwickelt. Forschungslücken und offene Forschungsfragen wurden zuletzt in Form einer Forschungsagenda zusammengeführt. Die einzelnen Forschungsbeiträge leisten somit sowohl einen Beitrag zur wissenschaftlichen Forschung als auch zum besseren Verständnis der Unternehmenspraxis. Die Ergebnisse der einzelnen Beiträge als auch dieser Dissertation im Gesamten können als Grundlage für weitere Forschung dienen.

This dissertation presents controller design methodologies for a formation of cooperative mobile robots to perform trajectory tracking and convoy protection tasks. Two major problems related to multi-agent formation control are addressed, namely the time-delay and optimality problems. For the task of trajectory tracking, a leader-follower based system structure is adopted for the controller design, where the selection criteria for controller parameters are derived through analyses of characteristic polynomials. The resulting parameters ensure the stability of the system and overcome the steady-state error as well as the oscillation behavior under time-delay effect. In the convoy protection scenario, a decentralized coordination strategy for balanced deployment of mobile robots is first proposed. Based on this coordination scheme, optimal controller parameters are generated in both centralized and decentralized fashion to achieve dynamic convoy protection in a unified framework, where distributed optimization technique is applied in the decentralized strategy. This unified framework takes into account the motion of the target to be protected, and the desired system performance, for instance, minimal energy to spend, equal inter-vehicle distance to keep, etc. Both trajectory tracking and convoy protection tasks are demonstrated through simulations and real-world hardware experiments based on the robotic equipment at Department of Computer Science VII, University of Würzburg. / Diese Dissertation handelt sich um Controller Entwurfsmethoden für eine Bildung von kooperativen mobile Roboter auf Bahnverfolgung und Konvoischutz Aufgaben. Zwei große Probleme zu Multi-Agenten-Formation Steuerung werden angesprochen, nämlich die Zeitverzögerung und Optimalitätsprobleme. Für die Aufgabe der Bahnverfolgung wird eine Leader-Follower-basiertes System für den Reglerentwurf angenommen, in dem die Auswahlkriterien für die Reglerparameter durch Analysen von charakteristischen Polynome abgeleitet werden. Die herauskommenden Parameter sorgen für die Stabilität des Systems und vermeiden die Steady-State Fehler sowie das Schwingungsverhalten unter Zeitverzögerungseffekt. In der Konvoischutz Szenario wird eine dezentrale Koordinationsstrategie zur ausgewogenen Einsatz mobiler Roboter zum ersten Mal vorgeschlagen. Auf der Grundlage dieser Abstimmungsschema werden optimale Reglerparameter in zentrale und dezentrale Weise für den dynamischen Konvoischutz in einem einheitlichen Rahmen erzeugt, in dem verteilten Optimierungstechnik in der dezentralen Strategie angewendet ist. Diese einheitlichen Rahmen berücksichtigt die Bewegung des zuschützenden Ziels, und die gewünschte Systemleistung, zum Beispiel, einen minimalen ausgegebene Energie, und einen gleichen Zwischenfahrzeugabstand, usw. Die Aufgaben der Bahnverfolgung und des Konvoischutzes werden durch Simulationen und realen Hardware-Experimente auf der Basis der Roboterausrüstungen am Institut für Informatik VII, Universität Würzburg demonstriert.

Since the first CubeSat launch in 2003, the hardware and software complexity of the nanosatellites was continuosly increasing. To keep up with the continuously increasing mission complexity and to retain the primary advantages of a CubeSat mission, a new approach for the overall space and ground software architecture and protocol configuration is elaborated in this work. The aim of this thesis is to propose a uniform software and protocol architecture as a basis for software development, test, simulation and operation of multiple pico-/nanosatellites based on ultra-low power components. In contrast to single-CubeSat missions, current and upcoming nanosatellite formation missions require faster and more straightforward development, pre-flight testing and calibration procedures as well as simultaneous operation of multiple satellites. A dynamic and decentral Compass mission network was established in multiple active CubeSat missions, consisting of uniformly accessible nodes. Compass middleware was elaborated to unify the communication and functional interfaces between all involved mission-related software and hardware components. All systems can access each other via dynamic routes to perform service-based M2M communication. With the proposed model-based communication approach, all states, abilities and functionalities of a system are accessed in a uniform way. The Tiny scripting language was designed to allow dynamic code execution on ultra-low power components as a basis for constraint-based in-orbit scheduler and experiment execution. The implemented Compass Operations front-end enables far-reaching monitoring and control capabilities of all ground and space systems. Its integrated constraint-based operations task scheduler allows the recording of complex satellite operations, which are conducted automatically during the overpasses. The outcome of this thesis became an enabling technology for UWE-3, UWE-4 and NetSat CubeSat missions. / Seit dem Launch des ersten CubeSats im Jahr 2003, hat die Komplexität der Nanosatelliten stetig zugenommen. Um mit den wachsenden Anforderungen Schritt zu halten und gleichzeitig nicht auf die Hauptvorteile einer CubeSat Mission zu verzichten, wird eine einheitliche Protokoll- und Softwarearchitektur für den gesamten Weltraum- und Bodensegment vorgeschlagen. Diese Arbeit schlägt eine einheitliche Software- und Protokoll-Architektur vor als Basis für Softwareentwicklung, Tests und Betrieb von mehreren Pico-/Nanosatelliten. Im Gegensatz zu Missionen mit nur einem CubeSat, erfordern künftige Nanosatelliten-Formationen eine schnellere und einfachere Entwicklung, Vorflug-Tests, Kalibrierungsvorgänge sowie die Möglichkeit mehrere Satelliten gleichzeitig zu betreiben. Ein dynamisches und dezentrales Compass Missionsnetzwerk wurde in mehreren CubeSat-Missionen realisiert, bestehend aus einheitlich zugänglichen Knoten. Die Compass-Middleware wurde entwickelt, um sowohl die Kommunikation als auch funktionale Schnittstellen zwischen allen beteiligten Software und Hardware Systemen in einer Mission zu vereinheitlichen: Rechner des Bedienpersonals, Bodenstationen, Mission-Server, Testeinrichtungen, Simulationen und Subsysteme aller Satelliten. Mit dem Ansatz der modellbasierten Kommunikation wird auf alle Zustände und Funktionen eines Systems einheitlich zugegriffen. Die entwickelte Tiny Skriptsprache ermöglicht die Ausführung von dynamischem Code auf energiesparenden Systemen, um so in-orbit Scheduler zu realisieren. Das Compass Operations Front-End bietet zahlreiche grafische Komponenten, mit denen alle Weltraum- und Bodensegment-Systeme einheitlich überwacht, kontrolliert und bedient werden. Der integrierte Betrieb-Scheduler ermöglicht die Aufzeichnung von komplexen Satellitenbetrieb-Aufgaben, die beim Überflug automatisch ausgeführt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden zur Enabling-Technologie für UWE-3, UWE-4 und NetSat Missionen.

The field of genetics faces a lot of challenges and opportunities in both research and diagnostics due to the rise of next generation sequencing (NGS), a technology that allows to sequence DNA increasingly fast and cheap. NGS is not only used to analyze DNA, but also RNA, which is a very similar molecule also present in the cell, in both cases producing large amounts of data. The big amount of data raises both infrastructure and usability problems, as powerful computing infrastructures are required and there are many manual steps in the data analysis which are complicated to execute. Both of those problems limit the use of NGS in the clinic and research, by producing a bottleneck both computationally and in terms of manpower, as for many analyses geneticists lack the required computing skills. Over the course of this thesis we investigated how computer science can help to improve this situation to reduce the complexity of this type of analysis. We looked at how to make the analysis more accessible to increase the number of people that can perform OMICS data analysis (OMICS groups various genomics data-sources). To approach this problem, we developed a graphical NGS data analysis pipeline aimed at a diagnostics environment while still being useful in research in close collaboration with the Human Genetics Department at the University of Würzburg. The pipeline has been used in various research papers on covering subjects, including works with direct author participation in genomics, transcriptomics as well as epigenomics. To further validate the graphical pipeline, a user survey was carried out which confirmed that it lowers the complexity of OMICS data analysis. We also studied how the data analysis can be improved in terms of computing infrastructure by improving the performance of certain analysis steps. We did this both in terms of speed improvements on a single computer (with notably variant calling being faster by up to 18 times), as well as with distributed computing to better use an existing infrastructure. The improvements were integrated into the previously described graphical pipeline, which itself also was focused on low resource usage. As a major contribution and to help with future development of parallel and distributed applications, for the usage in genetics or otherwise, we also looked at how to make it easier to develop such applications. Based on the parallel object programming model (POP), we created a Java language extension called POP-Java, which allows for easy and transparent distribution of objects. Through this development, we brought the POP model to the cloud, Hadoop clusters and present a new collaborative distributed computing model called FriendComputing. The advances made in the different domains of this thesis have been published in various works specified in this document. / Das Gebiet der Genetik steht vor vielen Herausforderungen, sowohl in der Forschung als auch Diagnostik, aufgrund des "next generation sequencing" (NGS), eine Technologie die DNA immer schneller und billiger sequenziert. NGS wird nicht nur verwendet um DNA zu analysieren sondern auch RNA, ein der DNA sehr ähnliches Molekül, wobei in beiden Fällen große Datenmengen zu erzeugt werden. Durch die große Menge an Daten entstehen Infrastruktur und Benutzbarkeitsprobleme, da leistungsstarke Computerinfrastrukturen erforderlich sind, und es viele manuelle Schritte in der Datenanalyse gibt die kompliziert auszuführen sind. Diese beiden Probleme begrenzen die Verwendung von NGS in der Klinik und Forschung, da es einen Engpass sowohl im Bereich der Rechnerleistung als auch beim Personal gibt, da für viele Analysen Genetikern die erforderlichen Computerkenntnisse fehlen. In dieser Arbeit haben wir untersucht wie die Informatik helfen kann diese Situation zu verbessern indem die Komplexität dieser Art von Analyse reduziert wird. Wir haben angeschaut, wie die Analyse zugänglicher gemacht werden kann um die Anzahl Personen zu erhöhen, die OMICS (OMICS gruppiert verschiedene Genetische Datenquellen) Datenanalysen durchführen können. In enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Humangenetik der Universität Würzburg wurde eine graphische NGS Datenanalysen Pipeline erstellt um diese Frage zu erläutern. Die graphische Pipeline wurde für den Diagnostikbereich entwickelt ohne aber die Forschung aus dem Auge zu lassen. Darum warum die Pipeline in verschiedenen Forschungsgebieten verwendet, darunter mit direkter Autorenteilname Publikationen in der Genomik, Transkriptomik und Epigenomik, Die Pipeline wurde auch durch eine Benutzerumfrage validiert, welche bestätigt, dass unsere graphische Pipeline die Komplexität der OMICS Datenanalyse reduziert. Wir haben auch untersucht wie die Leistung der Datenanalyse verbessert werden kann, damit die nötige Infrastruktur zugänglicher wird. Das wurde sowohl durch das optimieren der verfügbaren Methoden (wo z.B. die Variantenanalyse bis zu 18 mal schneller wurde) als auch mit verteiltem Rechnen angegangen, um eine bestehende Infrastruktur besser zu verwenden. Die Verbesserungen wurden in der zuvor beschriebenen graphischen Pipeline integriert, wobei generell die geringe Ressourcenverbrauch ein Fokus war. Um die künftige Entwicklung von parallelen und verteilten Anwendung zu unterstützen, ob in der Genetik oder anderswo, haben wir geschaut, wie man es einfacher machen könnte solche Applikationen zu entwickeln. Dies führte zu einem wichtigen informatischen Result, in dem wir, basierend auf dem Model von „parallel object programming“ (POP), eine Erweiterung der Java-Sprache namens POP-Java entwickelt haben, die eine einfache und transparente Verteilung von Objekten ermöglicht. Durch diese Entwicklung brachten wir das POP-Modell in die Cloud, Hadoop-Cluster und präsentieren ein neues Model für ein verteiltes kollaboratives rechnen, FriendComputing genannt. Die verschiedenen veröffentlichten Teile dieser Dissertation werden speziel aufgelistet und diskutiert.

Dementia is a complex neurodegenerative syndrome that by 2050 could affect about 135 Million people worldwide. People with dementia experience a progressive decline in their cognitive abilities and have serious problems coping with activities of daily living, including orientation and wayfinding tasks. They even experience difficulties in finding their way in a familiar environment. Being lost or fear of getting lost may consequently develop into other psychological deficits such as anxiety, suspicions, illusions, and aggression. Frequent results are social isolation and a reduced quality of life. Moreover, the lives of relatives and caregivers of people with dementia are also negatively affected. Regarding navigation and orientation, most existing approaches focus on outdoor environment and people with mild dementia, who have the capability to use mobile devices. However, Rasquin (2007) observe that even a device with three buttons may be too complicated for people with moderate to severe dementia. In addition, people who are living in care homes mainly perform indoor activities. Given this background, we decided to focus on designing a system for indoor environments for people with moderate to severe dementia, who are unable or reluctant to use smartphone technology. Adopting user-centered design approach, context and requirements of people with dementia were gathered as a first step to understand needs and difficulties (especially in spatial disorientation and wayfinding problems) experienced in dementia care facilities. Then, an "Implicit Interactive Intelligent (III) Environment" for people with dementia was proposed emphasizing implicit interaction and natural interface. The backbone of this III Environment is based on supporting orientation and navigation tasks with three systems: a Monitoring system, an intelligent system, and a guiding system. The monitoring system and intelligent system automatically detect and interpret the locations and activities performed by the users i.e. people with dementia. This approach (implicit input) reduces cognitive workload as well as physical workload on the user to provide input. The intelligent system is also aware of context, predicts next situations (location, activity), and decides when to provide an appropriate service to the users. The guiding system with intuitive and dynamic environmental cues (lighting with color) has the responsibility for guiding the users to the places they need to be. Overall, three types of a monitoring system with Ultra-Wideband and iBeacon technologies, different techniques and algorithms were implemented for different contexts of use. They showed a high user acceptance with a reasonable price as well as decent accuracy and precision. In the intelligent system, models were built to recognize the users’ current activity, detect the erroneous activity, predict the next location and activity, and analyze the history data, detect issues, notify them and suggest solutions to caregivers via visualized web interfaces. About the guiding systems, five studies were conducted to test and evaluate the effect of lighting with color on people with dementia. The results were promising. Although several components of III Environment in general and three systems, in particular, are in place (implemented and tested separately), integrating them all together and employing this in the dementia context as a fully properly evaluation with formal stakeholders (people with dementia and caregivers) are needed for the future step. / Demenz ist ein komplexes neurodegeneratives Syndrom, von dem bis zum Jahre 2050 weltweit 135 Millionen Menschen betroffen sein könnten. Menschen mit Demenz erleben einen fortschreitenden Verlust ihrer kognitiven Fähigkeiten und haben Probleme alltägliche Aufgaben durchzuführen, was auch Orientierung und Navigationsaufgaben einschließt. Sie haben sogar Schwierigkeiten, sich in einer für sie vertrauten Umgebung zurechtzufnden. Orientierungslosigkeit oder die Angst davor sich zu verlaufen können sich zu negativen psychische Zuständen wie Ängstlichkeit, Misstrauen, Illusionen oder Aggressionen entwickeln. Häufges Ergebnis sind soziale Isolation und eine reduzierte Lebensqualität. Darüber hinaus betreffen diese Probleme auch die Leben von Verwandten und Pflegern der Menschen mit Demenz. Die meisten bestehenden Ansätze zur Navigation und Orientierung konzentrieren sich auf indoor Aktivitäten und Menschen mit milder Demenz, die fähig sind Mobile Geräte zu nutzen. Wie Rasquin (2007) beobachtete, kann aber sogar ein Gerät mit drei Knöpfen zu kompliziert für Menschen mit mittlerer bis schwerer Demenz sein. Zusätzlich fnden die meisten Aktivitäten von Pflegeheimbewohnern innerhalb des Gebäudes statt. Vor diesem Hintergrund beschlossen wir uns auf das Design eines Indoor-Navigationssystems für Menschen mit mittlerer bis schwerer Demenz zu konzentrieren, die nicht in der Lage oder nicht willens sind Smartphones zu nutzen. In einem Nutzerzentrierten Design Ansatz erhoben wir zuerst den Kontext und die Anforderungen für Menschen mit Demenz um Bedürfnisse und Schwierigkeiten (besonders der räumlichen Orientierungslosigkeit und Navigation) zu verstehen, die in Demenz - Pflegeeinrichtungen auftreten. Dann schlugen wir ein „Implicit Interactive Intelligent (III) Environment“ für Menschen mit Demenz vor, das die implizite Interaktion mit natürlichen Bedienoberflächen betont. Die Grundlage dieses III Environments besteht darin, Orientierungsund Navigationsaufgaben durch drei Systeme zu unterstützen: ein Überwachungssystem, ein intelligentes System, und ein Leitsystem. Das Überwachungssystem und das intelligente System erkennen und interpretieren automatisch die Standorte und Aktivitäten der Nutzer, d.h. Menschen mit Demenz. Dieser Ansatz (implicit input) reduziert mentale sowie körperliche Belastung des Nutzers hinsichtlich der Eingaben. Das intelligente System kennt den Kontext, sagt bevorstehende Situationen vorher (Standort, Aktivität) und entscheidet, wann es dem Nutzer Ausgaben zur Verfügung stellt. Das Leitsystem ist mit seinen intuitiven und dynamischen Umgebungshinweisen (farbige Beleuchtung) zuständig die Nutzer an ihre Plätze zu führen. Insgesamt wurden drei Varianten eines Überwachungssystems mit Ultra-Breitband und iBeacon Technologie, unterschiedlichen Techniken und Algorithmen für verschiedene Nutzerkontexte entwickelt. Sie zeigen hohe Nutzerakzeptanz bei vernünftigen Preisen sowie akzeptabler Messgenauigkeit und Klassifkationspräzision. Im intelligenten System wurden Modelle integriert, die die aktuelle Aktivität und Fehlverhalten der Nutzer erkennen, ihren nächsten Standort und Aktivität voraussagten und frühere Daten analysierten, Probleme identifzieren und vermerken und Pflegern Lösungen in visuellen Benutzerschnittstellen vorschlagen. Die Leitsysteme wurden in sechs Studien getestet um den Effekt ihrer farbigen Beleuchtung auf Menschen mit Demenz zu evaluieren. Die Ergebnisse sind vielversprechend. Obwohl einige Komponenten des III Environments im Allgemeinen und drei Systeme im Speziellen bereit sind (implementiert und separat getestet), ist es für zukünftige Schritte notwendig, alles zu integrieren, im Demenz Kontext einzusetzen und mit offziellen Interessenvertretern (Menschen mit Demenz) vollständig zu evaluieren.

Understanding human navigation behavior has implications for a wide range of application scenarios. For example, insights into geo-spatial navigation in urban areas can impact city planning or public transport. Similarly, knowledge about navigation on the web can help to improve web site structures or service experience. In this work, we focus on a hypothesis-driven approach to address the task of understanding human navigation: We aim to formulate and compare ideas — for example stemming from existing theory, literature, intuition, or previous experiments — based on a given set of navigational observations. For example, we may compare whether tourists exploring a city walk “short distances” before taking their next photo vs. they tend to "travel long distances between points of interest", or whether users browsing Wikipedia "navigate semantically" vs. "click randomly". For this, the Bayesian method HypTrails has recently been proposed. However, while HypTrails is a straightforward and flexible approach, several major challenges remain: i) HypTrails does not account for heterogeneity (e.g., incorporating differently behaving user groups such as tourists and locals is not possible), ii) HypTrails does not support the user in conceiving novel hypotheses when confronted with a large set of possibly relevant background information or influence factors, e.g., points of interest, popularity of locations, time of the day, or user properties, and finally iii) formulating hypotheses can be technically challenging depending on the application scenario (e.g., due to continuous observations or temporal constraints). In this thesis, we address these limitations by introducing various novel methods and tools and explore a wide range of case studies. In particular, our main contributions are the methods MixedTrails and SubTrails which specifically address the first two limitations: MixedTrails is an approach for hypothesis comparison that extends the previously proposed HypTrails method to allow formulating and comparing heterogeneous hypotheses (e.g., incorporating differently behaving user groups). SubTrails is a method that supports hypothesis conception by automatically discovering interpretable subgroups with exceptional navigation behavior. In addition, our methodological contributions also include several tools consisting of a distributed implementation of HypTrails, a web application for visualizing geo-spatial human navigation in the context of background information, as well as a system for collecting, analyzing, and visualizing mobile participatory sensing data. Furthermore, we conduct case studies in many application domains, which encompass — among others — geo-spatial navigation based on photos from the photo-sharing platform Flickr, browsing behavior on the social tagging system BibSonomy, and task choosing behavior on a commercial crowdsourcing platform. In the process, we develop approaches to cope with application specific subtleties (like continuous observations and temporal constraints). The corresponding studies illustrate the variety of domains and facets in which navigation behavior can be studied and, thus, showcase the expressiveness, applicability, and flexibility of our methods. Using these methods, we present new aspects of navigational phenomena which ultimately help to better understand the multi-faceted characteristics of human navigation behavior. / Menschliches Navigationsverhalten zu verstehen, kann in einer Reihe von Anwendungsgebieten große Fortschritte bringen. Zum Beispiel können Einblicke in räumliche Navigation, wie etwa in Innenstädten, dabei helfen Infrastrukturen und öffentliche Verkehrsmittel besser abzustimmen. Genauso kann Wissen über das Navigationsverhalten von Benutzern im Internet, Entwickler dabei unterstützen Webseiten besser zu strukturieren oder generell die Benutzererfahrung zu verbessern. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf einen Hypothesen-getriebenen Ansatz, um menschliches Navigationsverhalten zu verstehen. Das heißt, wir formulieren und vergleichen Hypothesen basierend auf beobachteten Navigationspfaden. Diese Hypothesen basieren zumeist auf existierenden Theorien, Literatur, vorherigen Experimenten oder Intuition. Beispielsweise kann es interessant sein zu vergleichen, ob Touristen, die eine Stadt erkunden, eher zu nahegelegenen Sehenswürdigkeiten laufen, als vornehmlich große Strecken zurückzulegen. Weiterhin kann man in Online-Szenarien vergleichen, ob Benutzer zum Beispiel auf Wikipedia eher semantisch navigieren, als zufällig Artikel anzusurfen. Für diese Szenarien wurde HypTrails entwickelt, ein Bayes’scher Ansatz zum Vergleich von Navigationshypothesen. Doch obwohl HypTrails eine einfach zu benutzende und sehr flexible Methode darstellt, hat es einige deutliche Schwachstellen: Zum einen kann HypTrails keine heterogenen Prozesse modellieren (z.B., um das Verhalten von ver- schiedenen Nutzergruppen, wie etwa von Touristen und Einheimischen, zu unterscheiden). Außerdem bietet HypTrails dem Benutzer keine Unterstützung bei der Entwicklung neuer Hypothesen. Dies stellt vor allem in Kombination mit großen Mengen an Hintergrundinformationen und anderen Einflussgrößen (z.B., Sehenswürdigkeiten, Beliebtheit von Orten, Tageszeiten, oder verschieden Benutzereigenschaften) eine große Herausforderung dar. Außerdem kann sich das Formulieren von adäquaten Hypothesen abhängig vom Anwendungsszenario als schwierig erweisen (z.B. aufgrund von kontinuierlichen, räumlichen Koordinaten oder zeitlichen Nebenbedingungen). In dieser Arbeit setzen wir an eben jenen Problemstellungen an. Unsere Hauptbeiträge bestehen dabei aus den Ansätzen MixedTrails und SubTrails, die vor allem die ersten beiden genannten Schwachstellen adressieren: MixedTrails stellt einen Ansatz zum Vergleich von Hypothesen dar, der auf HypTrails basiert, es aber ermöglicht heterogene Hypothesen zu formulieren und zu vergleichen (z.B., bei Benutzergruppen mit unterschiedlichem Bewegungsverhalten). Während SubTrails eine Methode darstellt, die das Entwickeln neuer Hypothesen unterstützt, indem es die automatische Entdeckung von interpretierbaren Subgruppen mit außergewöhnlichen Bewegungscharakteristiken ermöglicht. Weiterhin, stellen wir eine verteitle und hochparallele Implementierung von HypTrails, ein Werkzeug zur Visualisierung von räumlicher Navigation zusammen mit Hintergrundinformationen, sowie ein System zur Sammlung, Analyse und Visualisierung von Daten aus dem Bereich des Participatory Sensing vor. Schließlich, führen wir mehrere Studien in verschiedenen Anwendungsbereichen durch. Wir untersuchen etwa räumliche Navigation basierend auf Photos der Onlineplattform Flickr, Browsing-Verhalten der Nutzer auf dem Verschlagwortungssystem BibSonomy, und das Arbeitsverhalten von Nutzern einer kommerziellen Crowdsourcing-Plattform. Dabei entwickeln wir mehrere Ansätze, um mit den Eigenheiten der spezifischen Szenarien umgehen zu können (wie etwa kontinuierliche räumliche Koordinaten oder zeitliche Nebenbedingungen). Die Ergebnisse zeigen die Vielzahl von Anwendungsgebieten und Facetten, in denen Navigationsverhalten analysiert werden kann, und illustrieren so die Ausdrucksstärke, vielseitige Anwendbarkeit und Flexibilität unserer Methoden. Gleichzeitig, geben wir neue Einblicke in verschiedene Navigationsprozesse und ermöglichen so einen wichtigen Schritt hin zum Verständnis der vielfältigen Ebenen menschlichen Navigationsverhaltens.

In this thesis various aspects of Quality of Experience (QoE) research are examined. The work is divided into three major blocks: QoE Assessment, QoE Monitoring, and VNF Performance Evaluation. First, prominent cloud applications such as Google Docs and a cloud-based photo album are explored. The QoE is characterized and the influence of packet loss and delay is studied. Afterwards, objective QoE monitoring for HTTP Adaptive Video Streaming (HAS) in the cloud is investigated. Additionally, by using a Virtual Network Function (VNF) for QoE monitoring in the cloud, the feasibility of an interworking of Network Function Virtualization (NFV) and cloud paradigm is evaluated. To this end, a VNF that exploits deep packet inspection technique was used to parse the video traffic. An algorithm is then designed accordingly to estimate video quality and QoE based on network and application layer parameters. To assess the accuracy of the estimation, the VNF is measured in different scenarios under different network QoS and the virtual environment of the cloud architecture. The insights show that the different geographical deployments of the VNF influence the accuracy of the video quality and QoE estimation. Various Service Function Chain (SFC) placement algorithms have been proposed and compared in the context of edge cloud networks. On the one hand, this research is aimed at cloud service providers by providing methods for evaluating QoE for cloud applications. On the other hand, network operators can learn the pitfalls and disadvantages of using the NFV paradigm for such a QoE monitoring mechanism. / In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte von Quality of Experience (QoE) und QoE-Monitoring untersucht. Die Arbeit teilt sich in drei große Blöcke auf: QoE Assessment, QoE Monitoring und Leistungsuntersuchung einer VNF. Zunächst werden prominente Cloud-Anwendungen wie Google Docs und ein Cloud-basiertes Photoalbum untersucht. Die QoE wird charakterisiert und es wird der Einfluss von Paketverlust und Delay studiert. Danach wird das objektive QoE-Monitoring für HTTP Adaptive Video Streaming (HAS) in der Cloud untersucht. Durch die Verwendung einer virtuellen Netzwerkfunktion (Virtual Network Function, VNF) für die QoE-Überwachung in der Cloud wurde außerdem die Durchführbarkeit eines Zusammenwirkens von Netzwerkfunktionsvirtualisierung (NFV) und Cloud-Paradigma bewertet. Zu diesem Zweck wurde der VNF, die die Deep-Packet-Inspection-Technik benutzt, zum Parsen des Videoverkehrs verwendet. Im Anschluss wurde ein Algorithmus entworfen, um die Videoqualität und die QoE basierend auf Netzwerk- und Anwendungsschichtparametern zu schätzen. Um die Genauigkeit der Schätzung zu bewerten, wurde die VNF in verschiedenen Szenarien unter verschiedener Netzwerk-QoS und der virtuellen Umgebung der Cloud-Architektur gemessen. Die Erkenntnisse zeigen, dass die unterschiedlichen geografischen Implementierungen der VNF die Genauigkeit der Schätzung der Videoqualität und QoE beeinflussen. Es wurden verschiedene Platzierungsalgorithmen der Service Function Chain (SFC) vorgeschlagen und im Kontext von Edge-Cloud-Netzwerken verglichen. Diese Forschungsarbeit zielt zum einen auf Cloud-Service-Provider ab, indem ihnen Methoden zur Bewertung der QoE für Cloud-Anwendungen zur Verfügung gestellt werden. Auf der anderen Seite können die Netzwerkbetreiber die Fallstricke und Nachteile der Anwendung des NFV-Paradigmas für einen solchen QoE-Überwachungsmechanismus erlernen.