Automated observation of avian vocal activity and species diversity can be a transformative tool for ornithologists, conservation biologists, and bird watchers to assist in long-term monitoring of critical environmental niches. Deep artificial neural networks have surpassed traditional classifiers in the field of visual recognition and acoustic event classification. Still, deep neural networks require expert knowledge to design, train, and test powerful models. With this constraint and the requirements of future applications in mind, an extensive research platform for automated avian activity monitoring was developed: BirdNET. The resulting benchmark system yields state-of-the-art scores across various acoustic domains and was used to develop expert tools and public demonstrators that can help to advance the democratization of scientific progress and future conservation efforts. / Die automatisierte Überwachung der Vogelstimmenaktivität und der Artenvielfalt kann ein revolutionäres Werkzeug für Ornithologen, Naturschützer und Vogelbeobachter sein, um bei der langfristigen Überwachung kritischer Umweltnischen zu helfen. Tiefe künstliche neuronale Netzwerke haben die traditionellen Klassifikatoren im Bereich der visuellen Erkennung und akustische Ereignisklassifizierung übertroffen. Dennoch erfordern tiefe neuronale Netze Expertenwissen, um leistungsstarke Modelle zu entwickeln, trainieren und testen. Mit dieser Einschränkung und unter Berücksichtigung der Anforderungen zukünftiger Anwendungen wurde eine umfangreiche Forschungsplattform zur automatisierten Überwachung der Vogelaktivität entwickelt: BirdNET. Das daraus resultierende Benchmark-System liefert state-of-the-art Ergebnisse in verschiedenen akustischen Bereichen und wurde verwendet, um Expertenwerkzeuge und öffentliche Demonstratoren zu entwickeln, die dazu beitragen können, die Demokratisierung des wissenschaftlichen Fortschritts und zukünftige Naturschutzbemühungen voranzutreiben.

Each day, millions of people ask questions and search for answers on the World Wide Web. Due to this, the Internet has grown to a world wide database of questions and answers, accessible to almost everyone. Since this database is so huge, it is hard to find out whether a question has been answered or even asked before. As a consequence, users are asking the same questions again and again, producing a vicious circle of new content which hides the important information. One platform for questions and answers are Web forums, also known as discussion boards. They present discussions as item streams where each item contains the contribution of one author. These contributions contain questions and answers in human readable form. People use search engines to search for information on such platforms. However, current search engines are neither optimized to highlight individual questions and answers nor to show which questions are asked often and which ones are already answered. In order to close this gap, this thesis introduces the \\emph{Effingo} system. The Effingo system is intended to extract forums from around the Web and find question and answer items. It also needs to link equal questions and aggregate associated answers. That way it is possible to find out whether a question has been asked before and whether it has already been answered. Based on these information it is possible to derive the most urgent questions from the system, to determine which ones are new and which ones are discussed and answered frequently. As a result, users are prevented from creating useless discussions, thus reducing the server load and information overload for further searches. The first research area explored by this thesis is forum data extraction. The results from this area are intended be used to create a database of forum posts as large as possible. Furthermore, it uses question-answer detection in order to find out which forum items are questions and which ones are answers and, finally, topic detection to aggregate questions on the same topic as well as discover duplicate answers. These areas are either extended by Effingo, using forum specific features such as the user graph, forum item relations and forum link structure, or adapted as a means to cope with the specific problems created by user generated content. Such problems arise from poorly written and very short texts as well as from hidden or distributed information.

Machine learning of distributed word representations with neural embeddings is a state-of-the-art approach to modelling semantic relationships hidden in natural language. The thesis “Clustering of Distributed Word Representations and its Applicability for Enterprise Search” covers different aspects of how such a model can be applied to knowledge management in enterprises. A review of distributed word representations and related language modelling techniques, combined with an overview of applicable clustering algorithms, constitutes the basis for practical studies. The latter have two goals: firstly, they examine the quality of German embedding models trained with gensim and a selected choice of parameter configurations. Secondly, clusterings conducted on the resulting word representations are evaluated against the objective of retrieving immediate semantic relations for a given term. The application of the final results to company-wide knowledge management is subsequently outlined by the example of the platform intergator and conceptual extensions.":1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Thesis Structure 2 Related Work 3 Distributed Word Representations 3.1 History 3.2 Parallels to Biological Neurons 3.3 Feedforward and Recurrent Neural Networks 3.4 Learning Representations via Backpropagation and Stochastic Gradient Descent 3.5 Word2Vec 3.5.1 Neural Network Architectures and Update Frequency 3.5.2 Hierarchical Softmax 3.5.3 Negative Sampling 3.5.4 Parallelisation 3.5.5 Exploration of Linguistic Regularities 4 Clustering Techniques 4.1 Categorisation 4.2 The Curse of Dimensionality 5 Training and Evaluation of Neural Embedding Models 5.1 Technical Setup 5.2 Model Training 5.2.1 Corpus 5.2.2 Data Segmentation and Ordering 5.2.3 Stopword Removal 5.2.4 Morphological Reduction 5.2.5 Extraction of Multi-Word Concepts 5.2.6 Parameter Selection 5.3 Evaluation Datasets 5.3.1 Measurement Quality Concerns 5.3.2 Semantic Similarities 5.3.3 Regularities Expressed by Analogies 5.3.4 Construction of a Representative Test Set for Evaluation of Paradigmatic Relations 5.3.5 Metrics 5.4 Discussion 6 Evaluation of Semantic Clustering on Word Embeddings 6.1 Qualitative Evaluation 6.2 Discussion 6.3 Summary 7 Conceptual Integration with an Enterprise Search Platform 7.1 The intergator Search Platform 7.2 Deployment Concepts of Distributed Word Representations 7.2.1 Improved Document Retrieval 7.2.2 Improved Query Suggestions 7.2.3 Additional Support in Explorative Search 8 Conclusion 8.1 Summary 8.2 Further Work Bibliography List of Figures List of Tables Appendix

Die Topologieoptimierung ist die Suche einer optimalen Bauteilgeometrie in Abhängigkeit des Einsatzfalls. Für komplexe Probleme kann die Topologieoptimierung aufgrund eines hohen Detailgrades viel Zeit- und Rechenkapazität erfordern. Diese Nachteile der Topologieoptimierung sollen mittels Deep Learning reduziert werden, so dass eine Topologieoptimierung dem Konstrukteur als sekundenschnelle Hilfe dient. Das Deep Learning ist die Erweiterung künstlicher neuronaler Netzwerke, mit denen Muster oder Verhaltensregeln erlernt werden können. So soll die bislang numerisch berechnete Topologieoptimierung mit dem Deep Learning Ansatz gelöst werden. Hierzu werden Ansätze, Berechnungsschema und erste Schlussfolgerungen vorgestellt und diskutiert.

For an economically sustainable fuel cell commercialization, robust manufacturing processes are essential. As current quality control is time-consuming and costly for manufacturers, standardized solutions are required that reduce cycle times needed to determine cell quality. With existing studies examining durability in field use, little is known about end-of-line detection of cell malfunctions. Applying machine learning algorithms to analyse performance measures of 3600 PEM fuel cells, this work presents a concept to automatically classify produced fuel cells according to cell performance indicators. Using a deep learning autoencoder and the extreme gradient boosting algorithm for anomaly detection and cell classification, models are created that detect cells associated with potential cell malfunctions. The work shows that the models developed predict key performance features in an early stage of the quality control phase and contributes to the overall goal of achieving cycle time reduction for manufacturers quality control procedures. / Für eine wirtschaftlich nachhaltige Kommerzialisierung von Brennstoffzellen sind robuste Herstellungsprozesse unerlässlich. Da die derzeitige Qualitätskontrolle zeitaufwändig und kostenintensiv ist, sind standardisierte Lösungen erforderlich. Während bisherige Arbeiten vorwiegend Lebensdaueruntersuchungen durchführen, ist nur wenig über die Erkennung von Zellfehlfunktionen am Ende der Produktionslinie bekannt. Durch die Anwendung von Algorithmen des maschinellen Lernens zur Analyse der Leistungsdaten von 3600 PEM-Brennstoffzellen wird in dieser Arbeit ein Konzept zur automatischen Klassifizierung produzierter Brennstoffzellen anhand von Leistungsindikatoren der Zellen vorgestellt. Unter Verwendung eines Deep-Learning-Autoencoders und des Extreme-Gradient-Boosting-Algorithmus zur Erkennung von Anomalien und zur Klassifizierung von Zellen werden Modelle erstellt, die Zellen erkennen, die mit potenziellen Zellfehlfunktionen in Verbindung stehen. Die Arbeit zeigt, dass die entwickelten Modelle wichtige Leistungsmerkmale in einem frühen Stadium der Qualitätskontrollphase vorhersagen und zum Gesamtziel der Reduzierung der Zykluszeit für die Qualitätskontrollverfahren der Hersteller beitragen.

Der Luftverkehr stellt ein komplexes Gesamtsystem dar, in welchem eine Prozessoptimierung aufgrund zahlreicher und verschiedenartiger Arbeitsabläufe verschiedener Unternehmen nur durch eine übergeordnete Leistungsbewertung möglich ist. Hierfür wurde im Bereich des leistungsbasierten Flughafenmanagements - sowohl auf wissenschaftlicher, als auch industrieller Ebene - bereits eine hohe Zahl individueller Lösungsansätze entwickelt, die jedoch aufgrund ihrer unterschiedlichen Struktur schwer zu vergleichende Ergebnisse hervorbringen. Des Weiteren werden Wechselbeziehungen zwischen ausschließlich eindimensional betrachteten Leistungsindikatoren, welche die verschiedenen Prozessschritte einzeln abbilden, außer Acht gelassen - die Dynamik des Systems spiegelt sich auf diese Art nicht auf Datenebene wider. Abhängigkeiten beeinflussen jedoch maßgeblich das Bewertungsergebnis und sind damit bei der Implementierung von Optimierungsstrategien innerhalb heutiger Konzepte essentiell. Der Kern dieser Dissertation umfasst die erweiterte datenbasierte Betrachtung des Luftverkehrssystems innerhalb des leistungsbasierten Ansatzes und einer damit einhergehenden Entkopplung von Modellierungsansätzen. Dies bedeutet, dass das betrachtete Luftverkehrssystem nur durch Leistungskennwerte beschrieben werden soll (z. B. Verspätungen, meteorologische Messungen). Der Einsatz künstlicher neuronaler Netze erhöht die Möglichkeiten zur Abbildung und Erfassung nicht-linearer und abhängiger Wert-diskreter Zeitreihen, welche im ständigen Vergleichsprozess wesentlich für die Strategiebildung sind. Die Datenquellen beziehen sich einerseits auf mikroskopische Analysen im Bereich des Boardings und damit verbundenen wissenschaftlichen Ausarbeitungen, andererseits auf die Beispielflughäfen Flughafen Hamburg (HAM) und Gatwick Airport (LGW) der Jahre 2012 - 2015 im makroskopischen Fokus. Die Implementierung des Wetters erfolgt über aggregierte meteorologische Kennzahlen, welche auf realen Wettermeldungen des entsprechenden Zeitraums beruhen. Von der Wahl und Definition eines Systems (Boarding, HAM und LGW) ausgehend, erfolgt eine geeignete Datenaggregation, welche Daten zur anschließenden Wissensgenerierung bereitstellt und damit Optimierungsansätze ermöglicht. Im Sinne des wachsenden Interesses der Forschung im Bereich des leistungsbasierten Luftverkehrsmanagements und der heutigen Wichtigkeit von Entscheidungsunterstützungssystemen bei der Strategieentwicklung, fokussiert sich diese Arbeit damit auf die Durchführung multivariater nicht-linearer Zeitreihenanalyse und -vorhersage mit neuronalen Netzen. Die damit einhergehende Nachvollziehbarkeit solcher Datenreihen liefert Möglichkeiten zur Systemidentifikation (datenbasiertes Erlernen der Systemdynamik). Das identifizierte Systemabbild des Luftverkehrs kann folglich für Simulation bekannter Eingabegrößen, als auch für die optimierte Kontrolle des Systems herangezogen werden und umfasst damit wesentliches Erweiterungspotential für heutige Management-Konzepte, um Entwicklungen hin zu einem kooperativen Betrieb zu unterstützen. Ableitend aus der Differenzierung in mehrere gekoppelte Bearbeitungsschritte innerhalb dieser Arbeit, erfolgt eine Fokussierung auf drei Kernfragen: a) Ist eine auf Leistungskennwerten des Luftverkehrs basierende Systemidentifikation mit derzeitigen Paradigmen neuronaler Netze möglich? b) Welche Einschränkungen sind gemäß des unterschiedlichen Charakters der Datensätze zu beachten und wie kann diesen durch eine, das Training der neuronalen Netze vorbereitenden, Datenstrukturanalyse und -Anpassung entgegengewirkt werden? c) Ist auf Basis der trainierten Netze eine erweiterte Optimierung und Vorhersage innerhalb vorhandener Strukturen des leistungsbasierten Luftverkehrsmanagements möglich?:I Grundlagen 1 Leistungsbasiertes Luftverkehrsmanagement 1.1 Allgemeine Definitionen & Begrifflichkeiten 1.2 Leistungsbewertungsrahmenwerke des Luftverkehrs 1.2.1 Interdependenzen von Leistungsindikatoren 1.2.2 Einflussfaktoren auf die Leistungsfähigkeit von Verkehrsflughäfen 1.2.3 Flugmeteorologische Datenaggregation 1.3 Grundkonzepte leistungsbasierten Luftverkehrsmanagements 1.3.1 Airport Collaborative Decision Making (A-CDM) 1.3.2 Total Airport Management (TAM) 1.3.3 Performance Based Airport Management (PBAM) 2 Künstliche neuronale Netze 2.1 Grundverfahren der Computational Intelligence 2.2 Biologische neuronale Netze 2.3 Topologie & Bestandteile künstlicher neuronaler Netze 2.4 Lernvorgang & Fehlerevaluierung 2.5 Netzparadigmen 2.5.1 Feedforward Netzwerke 2.5.2 Rekurrente (rückgekoppelte) Netzwerke 2.5.3 Faltende Netzwerke 2.6 Taxonomie der Zeitreihenverarbeitung mit künstlichen neuronalen Netzen 2.6.1 Zeitreihenregression 2.6.2 Zeitreihenklassifikation II Anwendung künstlicher neuronaler Netze im Luftverkehr 3 Methodische Konzeption 3.1 Datenbasierte Erfassung des Luftverkehrssystems 3.1.1 Prinzip des virtuellen Luftverkehrssystems 3.1.2 Systemidentifikation, Kontrolle & Simulation 3.2 Anwendungsgebiet Turnaround Management 3.2.1 Status Quo 3.2.2 Stochastische Boardingsimulation & Aggregationsmetrik 3.3 Anwendungsgebiet Air Traffic Flow Management 3.3.1 Status Quo 3.3.2 Datengrundlage der Flughäfen Hamburg & London Gatwick 4 Systemidentifikation mit künstlichen neuronalen Netzen 4.1 Modularisierung der Systemidentifikation 4.2 Problemidentifikation & Systemauswahl 4.3 Datenstrukturanalyse & -anpassung 4.3.1 Datenvoranalyse 4.3.2 Datenvorverarbeitung & Fehlerbereinigung 4.3.3 Datenanpassung für maschinelles Lernen 4.4 Paradigmenauswahl & Modellinitialisierung 4.5 Modellanwendung & -Überwachung 4.6 Nachgelagerte Analyse & Modellanpassung 5 Simulation & Kontrolle durch künstliche neuronale Netze 5.1 Sequenzprediktion zur Vorhersage bei bekannten Eingabemengen 5.1.1 Fehlerfortschreitung & Prognoseevaluierung 5.1.2 Robustheitsschätzung der Vorhersage 5.2 Nutzung des Modells als adaptive Kontrollstruktur 5.2.1 Extraktion von Zusammenhängen der Eingabegrößen 5.2.2 Metaheuristische Optimierung der Eingabemengen III Anwendung 6 Anwendungsgebiet Boarding als Teil des Turnaround-Prozesses 6.1 Systemidentifikation des Boarding-Subsystems 6.1.1 Datenstrukturanalyse 6.1.2 Experimenteller Aufbau & Modellanwendung 6.2 Simulation & Kontrolle des Boarding-Subsystems 6.2.1 Vorhersage des Boardingvorgangs unter verschiedenen Randbedingungen 6.2.2 Robustheitsprüfung der adaptiven Kontrollstruktur 6.2.3 Ableitung von Handlungsempfehlungen innerhalb des Prozesses 7 Anwendungsgebiet Air Traffic Flow Management 7.1 Systemidentifikation des Flugbetriebs in Hamburg & London Gatwick 7.1.1 Datenstrukturanalyse 7.1.2 Experimenteller Aufbau & Modellanwendung 7.2 Simulation & Kontrolle des Flugbetriebs in Hamburg & London Gatwick 7.2.1 Vorhersage von Verspätungen unter Berücksichtigung des Wetters 7.2.2 Robustheitsprüfung der adaptiven Kontrollstruktur 7.2.3 Eingabeempfehlungen zur Minimierung der Gesamtverspätung 8 Schlussbetrachtungen 8.1 Zusammenfassende Auswertung der Basisszenarien 8.2 Ausblick

Perceptual multistability is a phenomenon that is mostly studied in all modalities separately. The phenomenon reveals fundamental principles of the perceptual system in the formation of an emerging cognitive representation in the consciousness. The momentary perceptual organizations evoked during the stimulation with ambiguous stimuli switches between several perceptual organizations or percepts: The auditory streaming stimulus in audition and the moving plaids stimulus in vision, elicit different at least two percepts that dominate awareness exclusively for a random phase or dominance duration before an inevitable switch to another percept occurs. The similarity in the perceptual experience has led to propose a global mechanism contributing to the perceptual multistability phenomena crossmodally. Contrary, the difference in the perceptual experience has led to propose a distributed mechanism that is modality-specific. The development of a hybrid model has synergized both approaches. We accumulate empirical evidence for the contribution of a global mechanism, albeit distributed mechanisms play an indispensable role in this cross-modal interplay. The overt report of the perceptual experience in our experiments is accompanied by the recording of objective, cognitive markers of the consciousness: Reflexive movements of the eyes, namely the dilation of the pupil and the optokinetic nystagmus, correlate with the unobservable perceptual switches and perceptual states respectively and have their neuronal rooting in the brainstem. We complement earlier findings on the sensitivity of the pupil to visual multistability: It was shown in two independent experiments that the pupil dilates at the time of reported perceptual switches in auditory multistability. A control condition on confounding effects from the reporting process confines the results. Endogenous, evoked internally by the unchanged stimulus ambiguity, and exogenous, evoked externally by the changes in the physical properties of the stimulus, perceptual switches could be discriminated based on the maximal amplitude of the dilation. The effect of exogenous perceptual has on the pupil were captured in a report and no-report task to detect confounding perceptual effects. In two additional studies, the moment-by-moment coupling and coupling properties of percepts between concurrent multistable processes in audition, evoked by auditory streaming, and in vision, evoked by moving plaids, were found crossmodally. In the last study, the externally induced percept in the visual multistable process was not relayed to the simultaneous auditory multistable process: Still, the observed general coupling is fragile but existent. The requirement for the investigation of a moment-by-moment coupling of the multistable perceptual processes was the application of a no-report paradigm in vision: The visual stimulus evokes an optokinetic nystagmus that has machine learnable different properties when following either of the two percepts. In combination with the manually reported auditory percept, attentional bottlenecks due to a parallel report were circumvented. The two main findings, the dilation of the pupil along reported auditory perceptual switches and the crossmodal coupling of percepts in bimodal audiovisual multistability, speak in favor of a partly global mechanism being involved in control of perceptual multistability; the global mechanism is incarcerated by the, partly independent, distributed competition of percepts on modality level. Potentially, supramodal attention-related modulations consolidate the outcome of locally distributed perceptual competition in all modalities.:COVER 1 BIBLIOGRAPHISCHE BESCHREIBUNG 2 ACKNOWLEDGEMENTS 3 CONTENTS 4 CHAPTER 1: Introduction 6 C1.1: Stability and uncertainty in perception 6 C1.2: Auditory, visual and audio-visual multistability 14 C1.3: Capturing the subjective perceptual experience 25 C1.4: Limitations of preceding studies, objectives, and outline of the Thesis 33 CHAPTER 2: Study 1 “Pupillometry in auditory multistability” 36 C2.1.1 Experiment 1: Introduction 36 C2.1.2 Experiment 1: Material and Methods 38 C2.1.3 Experiment 1: Data analysis 44 C2.1.4 Experiment 1: Results 48 C2.1.5 Experiment 1: Discussion 52 C2.2.1 Experiment 2: Introduction 54 C2.2.2 Experiment 2: Material and Methods 54 C2.2.3 Experiment 2: Data analysis 56 C2.2.4 Experiment 2: Results 57 C2.3 Experiment 1 & 2: Discussion 61 C2.4 Supplement Study 1 65 CHAPTER 3: Study 2 “Multimodal moment-by-moment coupling in perceptual bistability” 71 C3.1.1 Experiment 1: Introduction 71 C3.1.2 Experiment 1: Results 74 C3.1.3 Experiment 1: Discussion 80 C3.1.4 Experiment 1: Material and Methods 84 C3.1.5 Experiment 1: Data analysis 87 C3.2 Supplement Study 2 92 CHAPTER 4: Study 3 “Boundaries of bimodal coupling in perceptual bistability” 93 C4.1.1 Experiment 1: Introduction 93 C4.1.2 Experiment 1: Material and Methods 98 C4.1.3 Experiment 1: Data analysis 102 C4.1.4 Experiment 1: Results 108 C4.1.5 Experiment 1: Discussion 114 C4.2.1 Experiment 2: Introduction 116 C4.2.2 Experiment 2: Material and Methods 119 C4.2.3 Experiment 2: Data analysis 125 C4.2.4 Experiment 2: Results 133 C4.3 Experiment 1 & 2: Discussion 144 C4.4 Supplement Study 3 151 CHAPTER 5: General Discussion 154 C5.1 Significance for models of multistability and implications for the perceptual architecture 162 C5.2 Recommendations for future research 166 C5.3 Conclusion 168 REFERENCES 170 APPENDIX 186 A1: List of Figures 186 A2: List of Tables 188 A3: List of Abbreviations and Symbols 189

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The correct classification of a logs assortment is crucial for the economic output within a fully mechanized timber harvest. This task is especially for unexperienced but also for professional machine operators mentally demanding. This paper presents a method towards an assistance system for machine operators for an automated log quality and assortment estimation. Therefore, machine vision methods for object detection are combined with machine learning approaches for estimating the logs weight based on a Convolutional Neural Network (CNN). Based on the dimensions oft he object ´log, a first categorisation into a specific assortment is done. By comparing the theoretical weight of a healthy log of such dimensions to the real weight estimated by the CNN-based crane scale, quality reducing properties such as beetle infestation or red rod can be detected. In such cases, the assistance system displays a visual warning to the operator to check the loaded log.

Auch mit modernster Technik und Maschinen ist der Mensch aus der Produktion nicht wegzudenken. Bediener mit Erfahrung sind elementar wichtig für effiziente Produktionsprozesse und bleiben unersetzbar – so die Theorie. In der Praxis fehlt den Unternehmen allerdings zunehmend gut ausgebildetes Fachpersonal. Lange Stillstandszeiten und hohe Ausschussmengen können die Folge sein. Gemeinsam mit Ihnen und weiteren Vertretern aus Wissenschaft und Industrie wollen wir uns mit neuen Konzepten und Visionen selbstlernender Bediener-Assistenzsysteme auseinandersetzen, - psychologische Aspekte, - die Nutzung von Augmented und Virtual Reality sowie - selbstlernende Systeme (künstliche Intelligenz) vorstellen und anschließend diskutieren.:1. Dr. Peter Golz (VDMA, Frankfurt am Main): Der Mensch im Produktionsumfeld 2. Dr. Romy Müller (TU Dresden, Professur für Ingenieurpsychologie und angewandte Kognitionsforschung): Mensch-Maschine-Kooperation in hochautomatisierten Systemen 3. Andre Schult (Fraunhofer IVV Dresden): Selbstlernendes Bediener-Assistenzsystem 4. Harald Wolf (Hassia Verpackungsmaschinen GmbH, Ranstadt): Mensch-Maschine im internationalen Umfeld 5. Ulf Heinemann (Robotron Datenbank- Software GmbH, Dresden): Störungserkennung durch Motorstromanalysen in Produktionsstraßen 6. Tilman Klaeger (Fraunhofer IVV Dresden): Maschinelles Lernen am Fraunhofer IVV Dresden 7. Patrick Marchion (Dividella AG, Grabs, CH): Augmented Reality für Wartung und Bedienung