Die dauerhafte Reduktion der von Menschen verursachten Emissionen ist eine der zentralen Herausforderungen unserer Zeit. Eine Strategie zur Reduzierung von Emissionen im Mobilitätssektor sind elektrisch betriebene Fahrzeuge, die je nach Typ teilweise oder vollständig mit Strom angetrieben werden. Für die Verkehrspsychologie stellt sich nun die Frage, ob und wie schnell sich Fahrer an die Nutzung von Elektrofahrzeugen gewöhnen und welche Herausforderungen sich aus Nutzersicht ergeben. Anhand von Studien mit vollelektrischen Fahrzeugen wurden in der vorliegenden Arbeit zwei grundlegende Eigenschaften von Elektrofahrzeugen aus psychologischer Perspektive untersucht: Zum einen verfügen Elektrofahrzeuge über eine Rekuperationsfunktion, mit der es möglich ist, in Verzögerungsvorgängen kinetische in elektrische Energie umzuwandeln, also Energie rückzugewinnen und damit letztlich die Emissionen zu reduzieren. Zum anderen beschränkt sich die mögliche Emissionsreduktion von Elektrofahrzeugen nicht nur auf den CO2-Ausstoß, sondern betrifft auch die Geräuschentwicklung dieser Fahrzeuge. Fahrzeuge mit Elektroantrieb emittieren weniger Geräusche, was einerseits die Lärmbelastung durch Straßenverkehr reduzieren kann, zum anderen aber auch zu Bedenken z.B. blinder Verkehrsteilnehmer geführt hat. Gerade bei geringen Geschwindigkeiten sind Elektrofahrzeuge schlechter wahrnehmbar und dadurch eine potentielle Gefahr für andere Verkehrsteilnehmer. Das erste Ziel der vorliegenden Dissertation bestand darin, die Auswirkungen einer über das Gaspedal gesteuerten Rekuperation aus verkehrspsychologischer Perspektive zu untersuchen. Die zur Nutzung der Rekuperation nötigen motorischen Fertigkeiten müssen erlernt und in unterschiedlichen Verkehrssituationen angewandt werden. Basierend auf dem Power Law of Practice (Newell & Rosenbloom, 1981) wurde der Fertigkeitserwerb bei der Nutzung der Rekuperationsfunktion eingehend betrachtet. Anhand von Fahrzeugdaten lassen sich eine sehr steile Lernkurve und damit ein kurzer Adaptationsprozess zeigen, der mit einer Powerfunktion beschrieben werden kann. Bereits innerhalb der ersten gefahrenen Kilometer nehmen die Anzahl der konventionellen Bremsmanöver und ihr zeitlicher Anteil an der gesamten Verzögerung rapide ab. Das zweite Ziel der vorliegenden Dissertation war, die Auswirkungen der geringeren Geräuschemission auf das Verkehrsgeschehen zu prüfen. Dies erfolgte jedoch nicht, wie in anderen Studien bereits dargestellt, aus Fußgängerperspektive, sondern aus der Fahrerperspektive. Da die Fahrer gerade in der Anfangsphase eine zentrale Rolle bei der Entschärfung geräuschbedingter kritischer Situationen spielen, soll die Arbeit dazu beitragen, diese Forschungslücke zu schließen, um eine umfassendere Bewertung der Geräuschthematik bei Elektrofahrzeugen zu ermöglichen. In Anlehnung an Deerys (1999) Modell zu Fahrerreaktionen auf potentielle Gefahren, wurden Risikowahrnehmung (risk perception) und Gefahrenwahrnehmung (hazard perception) als entscheidende Determinanten der Fahrerreaktion auf geräuschbedingte Gefahrensituationen identifiziert. Was die Risikowahrnehmung betrifft, so konnte gezeigt werden, dass diese sich mit zunehmender Erfahrung verändert. Risiken aufgrund der Geräuscharmut werden als weniger bedrohlich, das leise Fahren zunehmend als Beitrag zum Komfort gewertet. Zusätzlich wurden im Rahmen der Dissertation Situationen im Straßenverkehr näher untersucht, die aufgrund der Geräuscharmut von Elektrofahrzeugen auftraten. Darauf aufbauend wurde ein Katalog von geräuschbedingten Szenarien erstellt, der als empirische Grundlage für die nähere Betrachtung der Gefahrenwahrnehmung von Fahrern diente. Ergebnisse daraus resultierender Experimente zur Detektion von geräuschbedingten Gefahren (hazard detection tasks) zeigten, dass die individuelle Erfahrung mit Elektrofahrzeugen offenbar lediglich eine untergeordnete Rolle bei der Erkennung und Reaktion auf geräuschbedingte Gefahren spielt. Erfahrene Fahrer von Elektrofahrzeugen unterschieden sich nur marginal von unerfahrenen Fahrern in der Reaktion in und der Bewertung von geräuschbedingten Gefahrensituationen, was darauf hindeutet, dass geräuschbedingte Gefahrensituationen auch von Fahrern ohne extensive Erfahrung mit Elektrofahrzeugen bewältigt werden können. Das dritte, übergreifende Ziel der Dissertation bestand darin, die Bedeutung beider Eigenschaften für die Nutzerakzeptanz zu untersuchen. Neben der Untersuchung momentan existierender Barrieren (z.B. Reichweite, Preis, Batterielebensdauer), die eine weitreichende Adoption von Elektrofahrzeugen erschweren können, ist es ebenso wichtig, solche Eigenschaften zu identifizieren, die sich positiv auf das Nutzererleben auswirken. Sowohl die Rekuperation, als auch die Geräuscharmut spielen eine wichtige Rolle in der Nutzerbewertung, da beide Eigenschaften als zentrale, individuell erlebbbare Vorteile von Elektrofahrzeugen beurteilt werden. Im Hinblick auf die Geräuschemission lässt sich konstatieren, dass diese mit zunehmender Erfahrung des Fahrers fast ausschließlich als Vorteil statt als Barriere von Elektrofahrzeugen gewertet wird. Eine bemerkbare, über das Gaspedal gesteuerte Rekuperation scheint als Teil des Fahrererlebens ebenfalls eine zentrale Rolle in der Bewertung zu spielen. Ein hohes Maß an Nutzerakzeptanz und Vertrauen in das System unterstreichen die positive Evaluation einer solchen Funktionalität. Aus verkehrspsychologischer Sicht haben die angeführten Eigenschaften von Elektrofahrzeugen Auswirkungen auf verschiedene Teilaufgaben der Fahrzeugführung. So sind nicht nur motorische Fertigkeiten in der Pedalnutzung (Stabilisierungsbene) erforderlich, sondern auch komplexere kognitive Prozesse, wie z.B. der Umgang mit möglichen Gefahrensituationen aufgrund der geringen Geräuschemission (Bahnführungsebene). Insgesamt weisen die Ergebnisse der Dissertation darauf hin, dass Herausforderungen aufgrund beider oben genannten Fahrzeugeigenschaften gemeistert werden können. Zusätzlich zeigen die Ergebnisse, dass beide Eigenschaften von den Nutzern als willkommene Aspekte der technologischen Innovation geschätzt werden und somit zur allgemeinen Akzeptanz von Elektrofahrzeugen beitragen können. Da auch andere Fahrzeugkonzepte mit elektrischem Antriebsstrang diese beiden Eigenschaften aufweisen, lassen sich die gefundenen Ergebnisse auf andere Fahrzeugtypen übertragen.

In dieser Arbeit wird erstmalig der Einfluss stochastischer Schwankungen auf endoreversible Modelle untersucht. Hierfür wird die Novikov-Maschine mit drei verschieden Wärmetransportgesetzen (Newton, Fourier, asymmetrisch) betrachtet. Während die maximale verrichtete Arbeit und der dazugehörige Wirkungsgrad recht einfach im Falle konstanter Wärmebadtemperaturen hergeleitet werden können, ändern sich dies, falls die Temperaturen stochastisch fluktuieren können. Im letzteren Fall muss die stochastische optimale Kontrolltheorie genutzt werden, um das Maximum der zu erwartenden Arbeit und die dazugehörige Kontrollstrategie zu ermitteln. Im Allgemeinen kann die Lösung derartiger Probleme auf eine nichtlineare, partielle Differentialgleichung, welche an eine Optimierung gekoppelt ist, zurückgeführt werden. Diese Gleichung wird stochastische Hamilton-Jacobi-Bellman-Gleichung genannt. Allerdings können, wie in dieser Arbeit dargestellt, die Berechnungen vereinfacht werden, wenn man annimmt, dass die Fluktuationen unabhängig von der betrachteten Kontrollvariablen sind. In diesem Fall zeigen analytische Betrachtungen, dass die Gleichungen für die verrichtete Arbeit and den Wirkungsgrad ihre ursprüngliche Form behalten, aber manche Terme müssen durch entsprechende Zeitmittel bzw. Erwartungswerte ersetzt werden, jeweils abhängig von der betrachteten Art der Kontrolle. Basierend auf einer Analyse der Leistungsparameter im Falle einer Gleichverteilung der heißen Temperatur der Novikov-Maschine können Schlussfolgerungen auf deren Monotonieverhalten gezogen werden. Der Vergleich verschiedener, zeitunabhängiger, symmetrischer Verteilungen führt zu einer bis dato unbekannten Erweiterung des Curzon-Ahlborn-Wirkungsgrades im Falle kleiner Schwankungen. Weiterhin wird eine Analyse einer Novikov-Maschine mit asymmetrischen Wärmetransport, bei der das Verhalten der heißen Temperatur durch einen Ornstein-Uhlenbeck-Prozess beschrieben wird, durchgeführt. Abschließend wird eine Novikov-Maschine mit Fourierscher Wärmeleitung, bei der die Dynamik der heißen Temperatur von der Kontrollvariable abhängt, betrachtet. Durch das Lösen der Hamilton-Jacobi-Bellman-Gleichung können neuartige Schlussfolgerungen gezogen werden, wie derartige Systeme optimal zu steuern sind. / In this thesis, the influence of stochastic fluctuations on the performance of endoreversible engines is investigated for the first time. For this, a Novikov-engine with three different heat transport laws (Newtonian, Fourier, asymmetric) is considered. While the maximum work output and corresponding efficiency can be deduced easily in the case of constant heat bath temperatures, this changes, if these temperatures are allowed to fluctuate stochastically. In the latter case, stochastic optimal control theory has to be used to find the maximum of the expected work output and the corresponding control policy. In general, solving such problems leads to a non-linear, partial differential equation coupled to an optimization, called the stochastic Hamilton-Jacobi-Bellman equation. However, as presented in this thesis, calculations can be simplified, if one assumes that the fluctuations are independent of the considered control variable. In this case, analytic considerations show that the equations for performance measures like work output and efficiency keep their original form, but terms have to be replaced by appropriate time averages and expectation values, depending on the considered control type. Based on an analysis of the performance measures in the case of a uniform distribution of the hot temperature of the Novikov engine, conclusions on their monotonicity behavior are drawn. The comparison of several, time independent, symmetric distributions reveals a to date unknown extension to the Curzon-Ahlborn efficiency in the case of small fluctuations. Furthermore, an analysis of a Novikov engine with asymmetric heat transport, where the behavior of the hot temperature is described by an Ornstein-Uhlenbeck process, is performed. Finally, a Novikov engine with Fourier heat transport is considered, where the dynamics of the hot temperature depends on the control variable. By solving the corresponding Hamilton-Jacobi-Bellman equation, new conclusions how to optimally control such systems are drawn.

Benutzungsschnittstellen (UIs) dienen in der Domäne der industriellen Automatisierungstechnik der Bedienung und Beobachtung technischer Prozesse. Das sogenannte Model-based User Interface Development (MBUID) stellt ein vielversprechendes Konzept zur automatischen Erzeugung solcher UIs dar. Allerdings erfordert die Umsetzung dieses Konzeptes für einen spezifischen Anwendungsfall jeweils die Entwicklung einer oder mehrerer Modell-zu-Modell-Transformationen (M2M). Hierbei handelt es sich unter Verwendung aktueller Ansätze für Transformations-Frameworks um einen aufwändigen, fehleranfälligen und daher kostenintensiven Prozess. Dies gilt vor allem für Entwickler ohne tiefgreifendes Wissen über modellbasierte Technologien und kann unter Umständen sogar die durch die MBUID propagierten Vorteile aufwiegen. Zur Erleichterung des Prozesses der Entwicklung von Modelltransformationen schlägt diese Arbeit eine spezielle Methodik sowie deren prototypische Implementierung in Form des PAMTraM-Frameworks vor. Die Methodik greift dabei die speziellen Rahmenbedingungen bei der UI-Entwicklung in der Domäne der industriellen Automatisierungstechnik auf und basiert auf drei Hauptkonzepten: Die Basis stellt die Konfiguration von M2M-Transformationen in mehrdeutigen, bedingten Abbildungsmodellen dar. Diese Abbildungsmodelle beschreiben dabei lediglich Zuordnungen zwischen Elementen der Quell- und Ziel-UI-Beschreibungssprache einer durchzuführenden Transformation. Im Gegensatz zu existierenden Ansätzen erlaubt die entwickelte Methodik die explizite Berücksichtigung mehrdeutiger Abbildungen, die in der Domäne der UI-Entwicklung häufig auftreten. Darüber hinaus können explizite Kontextbedingungen formuliert werden, die die Notwendigkeit der Anpassung bzw. Neu-Erstellung eines Abbildungsmodells bei Vorliegen eines geänderten Nutzungskontextes (z.B. einer neuen Hardware-Plattform) verhindern. Konkrete Transformationen für ein oder mehrere Quell- und Kontextmodelle können anschließend auf Basis eines konfigurierten Abbildungsmodells durchgeführt werden. Hierzu wird ein spezieller generischer Transformations-Algorithmus vorgestellt. Dieser ist in der Lage, basierend auf einer selbstständigen Analyse der Ziel-UI-Beschreibungssprache auch unvollständige Abbildungsmodelle auszuführen. Hierdurch muss der Entwickler eines Abbildungsmodells weniger Informationen in dieses integrieren. Allerdings führt dieses Vorgehen auch dazu, dass im Rahmen der Durchführung einer Transformation an verschiedenen Stellen Mehrdeutigkeiten auftreten können. Zur Auflösung dieser Mehrdeutigkeiten stellt diese Arbeit unterschiedliche Strategien wie z.B. die Konsultation des Nutzers vor. Das dritte Hauptkonzept wird durch zwei Ansätze für sog. Higher-Order Transformations gebildet. Diese ermöglichen die teilweise semi-automatische Erstellung bzw. Vervollständigung von Abbildungsmodellen u.a. im Rahmen iterativer Entwicklungsprozesse. Dadurch wird die Entwicklung von Abbildungsmodellen weiter vereinfacht und die während einer Transformation auftretenden Mehrdeutigkeiten können schrittweise soweit notwendig reduziert werden. Ein Nachweis über die Funktionalität der entwickelten Methodik sowie deren prototypischer Implementierung erfolgt zum einen anhand repräsentativer Fallstudien aus der betrachteten Domäne und zum anderen auf Basis einer Analyse hinsichtlich allgemeiner Kriterien zur Bewertung von Transformations-Frameworks. Eine abschließende Bewertung zeigt, dass die entwickelte Methodik die speziellen Anforderungen in Bezug auf die UI-Entwicklung in der Domäne der industriellen Automatisierungstechnik erfüllt und zur Vereinfachung der Entwicklung von Modelltransformationen geeignet ist. / User Interfaces (UIs) in the domain of industrial automation serve the operation and monitoring of technical processes. The Model-based User Interface Development (MBUID) represents a promising concept for the automatic generation of such UIs. However, the realization of this concept for a specific use case requires the development of one or multiple model-to-model (M2M) transformations. Using existing transformation frameworks, this represents a complex, error-prone, and thus costly task. This applies especially to developers without deep knowledge of model-based technologies and can in some circumstances even cancel out the advantages promised by MBUID. In order to simplify the process of developing model transformations, this thesis proposes a specific methodology as well as its prototypic implementation by means of the PAMTraM framework. This methodology addresses the special underlying conditions of UI development in the domain of industrial automation and is based on three main concepts: The basis is formed by the configuration of M2M transformations in ambiguous, conditional mapping models. These only capture mappings between elements of the source and the target UI modeling language of a transformation. In contrast to existing approaches, the developed methodology explicitly takes into account the possibility for ambiguous mappings that are common in the domain of UI development. Furthermore, developers can specify explicit context conditions that prevent the necessity of a modification or redevelopment of a mapping model in case of a changed context of use (e.g. a new hardware platform). Individual transformations for one or multiple source and context models can be executed based on a configured mapping model. Therefore, a special generic transformation algorithm is presented. By autonomously analyzing the target UI modeling language, this algorithm is even capable of executing incomplete mapping models. As a result of this, the developer has to integrate less information in the mapping model. However, due to this approach, ambiguities may occur at various points during the course of a transformation. In order to be able to resolve these ambiguities, various strategies like the consultation of the user are presented in this thesis. The third main concept is formed by two approaches for higher-order transformations that allow the partial semi-automatic generation resp. completion of mapping models among others in the context of iterative development processes. This further simplifies the development of mapping models and allows for the step-wise reduction of occurring ambiguities as far as necessary. Representative case studies from the considered domain as well as an analysis with regard to general criteria for the assessment of transformation frameworks prove the functionality of the proposed methodology and its prototypical implementation. A concluding evaluation shows that the developed methodology satisfies the specific requirements concerning UI development in the domain of industrial automation and is suited to simplify the development of model transformations.

Nicht zuletzt durch die Globalisierung kommen mittlerweile viele Geräte in vielen unterschiedlichen Kulturen zugleich zum Einsatz. Durch die Anpassung von Produkten an kulturelle Unterschiede kann die Gebrauchstauglichkeit dieser Produkte in der jeweiligen Kultur verbessert werden. Dies führt aufgrund einer höheren Kundenzufriedenheit und Sicherheit bei der Bedienung zu Vorteilen für die Nutzer der Produkte, in Folge dann auch zu höheren Umsätzen für die Hersteller der Produkte. Die vorliegende Arbeit zeigt am Beispiel der Nutzung mobiler Geräte Erkenntnisse für die Anpassung von Mensch-Maschine-Schnittstellen an die Anforderungen von Nutzern in China, Deutschland und den USA auf. Sie verwendet eine Kombination von quantitativen und qualitativen Forschungsmethoden. Zunächst wird ein Überblick über den theoretischen Wissensstand in den relevanten Bereichen erarbeitet, bevor Interviews mit neun deutschen Experten der Produktentwicklung mit internationaler Erfahrung einen Überblick über die Praxis der Produktentwicklung in international tätigen Konzernen geben. Auf der Basis dieser theoretischen und praktischen Erkenntnisse wird eine Online-Befragung zurNutzung mobiler Geräte im Fahrzeug mit insgesamt 269 chinesischen, deutschen und US-amerikanischen Teilnehmern beschrieben. Eine Card-Sorting-Studie mit 46 internationalen Probanden sowie eine Fahrsimulatorstudie mit 33 deutschen Probanden untersucht anschließend spezifische kulturelle Unterschiede bei der Kategorisierung. Eine weitere Fahrsimulatorstudie mit 42 chinesischen und deutschen Probanden analysiert kulturelle Präferenzen für Eingabemöglichkeiten. Die im Rahmen dieser Arbeit zusammengestellten Erkenntnisse münden in konkreten Gestaltungsregeln. Aus den Erkenntnissen ergeben sich neue Fragestellungen für die zukünftige Forschung.:1. Einleitung 2. Stand der Forschung 3. Interviews mit deutschen Experten 4. Online-Befragung unter Chinesen, Deutschen und US-Amerikanern 5. Card-Sorting-Studie mit westlichen und östlichen Probanden 6. Fahrsimulatorstudie zu Menüstrukturen mit Deutschen 7. Fahrsimulatorstudie zu Eingabemöglichkeiten mit Chinesen und Deutschen 8. Zusammenfassung und Ausblick 9. Gestaltungsregeln für interkulturell genutzte Produkte

Elektrische Maschinen werden heutzutage auf mannigfaltigen Gebieten eingesetzt. Sie verrichten ihre Aufgaben in leistungsstarken Industrieantrieben für Erzmühlen oder Stahlwalzen, als Synchrongeneratoren zur Elektroenergieerzeugung, in Fertigungsanlagen wie Backstraßen oder Fließbänder oder auch im Verkehr, in Zügen oder verstärkt nun auch in Automobilen. Sie erleichtern uns aber auch den Alltag an Stellen, wo sie oft gar nicht wahrgenommen werden. Sie ermöglichen nützliche Helferlein im Auto mithilfe von Servomotoren – Scheibenwischer, Fensterheber oder Seitenspiegelverstellung sind nur ausgewählte Beispiele. Aber auch Fensterrollläden, Klimaanlagen oder Fahrstühle benötigen elektrische Antriebe. Darüber hinaus verstecken sich sie sich als Klein- und Kleinstmaschinen in medizinischen Geräten wie dem Zahnarztbohrer oder in Pflegeprodukten des täglichen Bedarfs von der Haarschneidemaschine, über den Nasenhaartrimmer und Föhn bis hin zur elektrischen Zahnbürste. Da Elektromotoren also in immer mehr Geräten stecken, müssen auch immer größere Stückzahlen gefertigt werden, die am besten nichts kosten. Es besteht somit die große Herausforderung all die Bedürfnisse ressourcenschonend und kostengünstig zu bedienen. Aus diesem Gedanken heraus entstand am Lehrstuhl die Idee, Wicklungen elektrischer Kleinmaschinen zu drucken. Dies geschieht mithilfe der Siebdrucktechnik, wie es schon heute bei RFID-Chips die Regel ist. Es handelt sich also um ein erprobtes Verfahren, das eine günstige Fertigung großer Stückzahlen erlaubt. Erste Erfahrungen wurden bereits gesammelt, hier sei auf [10], [11] und [12] verwiesen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit sollen diese Grundlagen nun ausgebaut, gefestigt, sowie erweitert werden. Um einen Eindruck und Überblick zu gewinnen, wird im Folgenden eine Reihe elektrischer Kleinmaschinen entworfen. Hierbei sollen Probleme ausfindig gemacht, Lösungen eruiert und Abweichungen zum konventionellen Entwurf aufgezeigt werden. Im Rahmen dessen werden Berechnungsvorschriften für siebgedruckte Wicklungen abgeleitet und diese schließlich zur Berechnung einer Maschinenreihe mit verschiedenen Außendurchmessern und Längen genutzt. Am Ende der Arbeit sollen ausgewählte Motoren aus der berechneten Reihe stehen, an denen Messungen stattfinden um die verwendeten Algorithmen zu verifizieren.:1 Einführung 2 Der prinzipielle Aufbau der zu entwerfenden Kleinmaschinen 2.1 Der Aufbau konventioneller Kleinmaschinen 2.2 Der mechanische Aufbau 2.3 Gedruckte Wicklungen 3 Theoretischer Entwurfs- und Rechengang 3.1 Maschinenentwurf 3.1.1 Magnetkreisentwurf 3.1.2 Abmessungen 3.1.3 Entwurf der Wicklung 3.2 Nachrechnung 3.2.1 Ohmscher Widerstand, Nennstrom und Stromdichte 3.2.2 Magnetische Spannungsabfälle 3.2.3 Induktivität und Reaktanz 3.2.4 Kraft, Drehmoment und mechanische Leistung 3.2.5 Verluste, Wirkungsgrad und Leistungsfaktor 3.2.6 Ausnutzungsfaktor, Strombelag und Charakteristisches Produkt 3.3 Bestimmung des Drehmoments 4 Ein zahlenmäßiger Entwurfsgang anhand einer Beispielmaschine 4.1 Vorgaben 4.2 Maschinenentwurf 4.2.1 Magnetkreisentwurf 4.2.2 Abmessungen 4.2.3 Entwurf der Wicklung 4.3 Nachrechnung 4.3.1 Ohmscher Widerstand, Nennstrom und Stromdichte 4.3.2 Magnetische Spannungsabfälle 4.3.3 Induktivität und Reaktanz 4.3.4 Kraft, Drehmoment und mechanische Leistung 4.3.5 Verluste, Wirkungsgrad und Leistungsfaktor 4.3.6 Ausnutzungsfaktor, Strombelag und Charakteristisches Produkt 5 Die Maschinenreihe im Detail 5.1 Die Maschinenreihe im Vergleich 5.2 Außendurchmesser 40 mm 5.3 Ein Vergleich mit am Markt erhältlichen Maschinen 6 Fertigung und Maschinenpraxis ausgewählter Modelle 6.1 Vorbereitungen 6.2 Die gedruckten Wicklungen 6.3 Ein praktischer Ausblick 6.4 Potenzial und Ausblick – Steigerung der Effizienz 7 Zusammenfassung A Das FEM-Modell zur Ermittlung der Läuferinduktion B Die Maschinenreihe C Praktische Ausführungen zum Maschinenentwurf

Benutzungsschnittstellen (UIs) dienen in der Domäne der industriellen Automatisierungstechnik der Bedienung und Beobachtung technischer Prozesse. Das sogenannte Model-based User Interface Development (MBUID) stellt ein vielversprechendes Konzept zur automatischen Erzeugung solcher UIs dar. Allerdings erfordert die Umsetzung dieses Konzeptes für einen spezifischen Anwendungsfall jeweils die Entwicklung einer oder mehrerer Modell-zu-Modell-Transformationen (M2M). Hierbei handelt es sich unter Verwendung aktueller Ansätze für Transformations-Frameworks um einen aufwändigen, fehleranfälligen und daher kostenintensiven Prozess. Dies gilt vor allem für Entwickler ohne tiefgreifendes Wissen über modellbasierte Technologien und kann unter Umständen sogar die durch die MBUID propagierten Vorteile aufwiegen. Zur Erleichterung des Prozesses der Entwicklung von Modelltransformationen schlägt diese Arbeit eine spezielle Methodik sowie deren prototypische Implementierung in Form des PAMTraM-Frameworks vor. Die Methodik greift dabei die speziellen Rahmenbedingungen bei der UI-Entwicklung in der Domäne der industriellen Automatisierungstechnik auf und basiert auf drei Hauptkonzepten: Die Basis stellt die Konfiguration von M2M-Transformationen in mehrdeutigen, bedingten Abbildungsmodellen dar. Diese Abbildungsmodelle beschreiben dabei lediglich Zuordnungen zwischen Elementen der Quell- und Ziel-UI-Beschreibungssprache einer durchzuführenden Transformation. Im Gegensatz zu existierenden Ansätzen erlaubt die entwickelte Methodik die explizite Berücksichtigung mehrdeutiger Abbildungen, die in der Domäne der UI-Entwicklung häufig auftreten. Darüber hinaus können explizite Kontextbedingungen formuliert werden, die die Notwendigkeit der Anpassung bzw. Neu-Erstellung eines Abbildungsmodells bei Vorliegen eines geänderten Nutzungskontextes (z.B. einer neuen Hardware-Plattform) verhindern. Konkrete Transformationen für ein oder mehrere Quell- und Kontextmodelle können anschließend auf Basis eines konfigurierten Abbildungsmodells durchgeführt werden. Hierzu wird ein spezieller generischer Transformations-Algorithmus vorgestellt. Dieser ist in der Lage, basierend auf einer selbstständigen Analyse der Ziel-UI-Beschreibungssprache auch unvollständige Abbildungsmodelle auszuführen. Hierdurch muss der Entwickler eines Abbildungsmodells weniger Informationen in dieses integrieren. Allerdings führt dieses Vorgehen auch dazu, dass im Rahmen der Durchführung einer Transformation an verschiedenen Stellen Mehrdeutigkeiten auftreten können. Zur Auflösung dieser Mehrdeutigkeiten stellt diese Arbeit unterschiedliche Strategien wie z.B. die Konsultation des Nutzers vor. Das dritte Hauptkonzept wird durch zwei Ansätze für sog. Higher-Order Transformations gebildet. Diese ermöglichen die teilweise semi-automatische Erstellung bzw. Vervollständigung von Abbildungsmodellen u.a. im Rahmen iterativer Entwicklungsprozesse. Dadurch wird die Entwicklung von Abbildungsmodellen weiter vereinfacht und die während einer Transformation auftretenden Mehrdeutigkeiten können schrittweise soweit notwendig reduziert werden. Ein Nachweis über die Funktionalität der entwickelten Methodik sowie deren prototypischer Implementierung erfolgt zum einen anhand repräsentativer Fallstudien aus der betrachteten Domäne und zum anderen auf Basis einer Analyse hinsichtlich allgemeiner Kriterien zur Bewertung von Transformations-Frameworks. Eine abschließende Bewertung zeigt, dass die entwickelte Methodik die speziellen Anforderungen in Bezug auf die UI-Entwicklung in der Domäne der industriellen Automatisierungstechnik erfüllt und zur Vereinfachung der Entwicklung von Modelltransformationen geeignet ist. / User Interfaces (UIs) in the domain of industrial automation serve the operation and monitoring of technical processes. The Model-based User Interface Development (MBUID) represents a promising concept for the automatic generation of such UIs. However, the realization of this concept for a specific use case requires the development of one or multiple model-to-model (M2M) transformations. Using existing transformation frameworks, this represents a complex, error-prone, and thus costly task. This applies especially to developers without deep knowledge of model-based technologies and can in some circumstances even cancel out the advantages promised by MBUID. In order to simplify the process of developing model transformations, this thesis proposes a specific methodology as well as its prototypic implementation by means of the PAMTraM framework. This methodology addresses the special underlying conditions of UI development in the domain of industrial automation and is based on three main concepts: The basis is formed by the configuration of M2M transformations in ambiguous, conditional mapping models. These only capture mappings between elements of the source and the target UI modeling language of a transformation. In contrast to existing approaches, the developed methodology explicitly takes into account the possibility for ambiguous mappings that are common in the domain of UI development. Furthermore, developers can specify explicit context conditions that prevent the necessity of a modification or redevelopment of a mapping model in case of a changed context of use (e.g. a new hardware platform). Individual transformations for one or multiple source and context models can be executed based on a configured mapping model. Therefore, a special generic transformation algorithm is presented. By autonomously analyzing the target UI modeling language, this algorithm is even capable of executing incomplete mapping models. As a result of this, the developer has to integrate less information in the mapping model. However, due to this approach, ambiguities may occur at various points during the course of a transformation. In order to be able to resolve these ambiguities, various strategies like the consultation of the user are presented in this thesis. The third main concept is formed by two approaches for higher-order transformations that allow the partial semi-automatic generation resp. completion of mapping models among others in the context of iterative development processes. This further simplifies the development of mapping models and allows for the step-wise reduction of occurring ambiguities as far as necessary. Representative case studies from the considered domain as well as an analysis with regard to general criteria for the assessment of transformation frameworks prove the functionality of the proposed methodology and its prototypical implementation. A concluding evaluation shows that the developed methodology satisfies the specific requirements concerning UI development in the domain of industrial automation and is suited to simplify the development of model transformations.

In dieser Arbeit wird erstmalig der Einfluss stochastischer Schwankungen auf endoreversible Modelle untersucht. Hierfür wird die Novikov-Maschine mit drei verschieden Wärmetransportgesetzen (Newton, Fourier, asymmetrisch) betrachtet. Während die maximale verrichtete Arbeit und der dazugehörige Wirkungsgrad recht einfach im Falle konstanter Wärmebadtemperaturen hergeleitet werden können, ändern sich dies, falls die Temperaturen stochastisch fluktuieren können. Im letzteren Fall muss die stochastische optimale Kontrolltheorie genutzt werden, um das Maximum der zu erwartenden Arbeit und die dazugehörige Kontrollstrategie zu ermitteln. Im Allgemeinen kann die Lösung derartiger Probleme auf eine nichtlineare, partielle Differentialgleichung, welche an eine Optimierung gekoppelt ist, zurückgeführt werden. Diese Gleichung wird stochastische Hamilton-Jacobi-Bellman-Gleichung genannt. Allerdings können, wie in dieser Arbeit dargestellt, die Berechnungen vereinfacht werden, wenn man annimmt, dass die Fluktuationen unabhängig von der betrachteten Kontrollvariablen sind. In diesem Fall zeigen analytische Betrachtungen, dass die Gleichungen für die verrichtete Arbeit and den Wirkungsgrad ihre ursprüngliche Form behalten, aber manche Terme müssen durch entsprechende Zeitmittel bzw. Erwartungswerte ersetzt werden, jeweils abhängig von der betrachteten Art der Kontrolle. Basierend auf einer Analyse der Leistungsparameter im Falle einer Gleichverteilung der heißen Temperatur der Novikov-Maschine können Schlussfolgerungen auf deren Monotonieverhalten gezogen werden. Der Vergleich verschiedener, zeitunabhängiger, symmetrischer Verteilungen führt zu einer bis dato unbekannten Erweiterung des Curzon-Ahlborn-Wirkungsgrades im Falle kleiner Schwankungen. Weiterhin wird eine Analyse einer Novikov-Maschine mit asymmetrischen Wärmetransport, bei der das Verhalten der heißen Temperatur durch einen Ornstein-Uhlenbeck-Prozess beschrieben wird, durchgeführt. Abschließend wird eine Novikov-Maschine mit Fourierscher Wärmeleitung, bei der die Dynamik der heißen Temperatur von der Kontrollvariable abhängt, betrachtet. Durch das Lösen der Hamilton-Jacobi-Bellman-Gleichung können neuartige Schlussfolgerungen gezogen werden, wie derartige Systeme optimal zu steuern sind. / In this thesis, the influence of stochastic fluctuations on the performance of endoreversible engines is investigated for the first time. For this, a Novikov-engine with three different heat transport laws (Newtonian, Fourier, asymmetric) is considered. While the maximum work output and corresponding efficiency can be deduced easily in the case of constant heat bath temperatures, this changes, if these temperatures are allowed to fluctuate stochastically. In the latter case, stochastic optimal control theory has to be used to find the maximum of the expected work output and the corresponding control policy. In general, solving such problems leads to a non-linear, partial differential equation coupled to an optimization, called the stochastic Hamilton-Jacobi-Bellman equation. However, as presented in this thesis, calculations can be simplified, if one assumes that the fluctuations are independent of the considered control variable. In this case, analytic considerations show that the equations for performance measures like work output and efficiency keep their original form, but terms have to be replaced by appropriate time averages and expectation values, depending on the considered control type. Based on an analysis of the performance measures in the case of a uniform distribution of the hot temperature of the Novikov engine, conclusions on their monotonicity behavior are drawn. The comparison of several, time independent, symmetric distributions reveals a to date unknown extension to the Curzon-Ahlborn efficiency in the case of small fluctuations. Furthermore, an analysis of a Novikov engine with asymmetric heat transport, where the behavior of the hot temperature is described by an Ornstein-Uhlenbeck process, is performed. Finally, a Novikov engine with Fourier heat transport is considered, where the dynamics of the hot temperature depends on the control variable. By solving the corresponding Hamilton-Jacobi-Bellman equation, new conclusions how to optimally control such systems are drawn.

In der vorliegenden Dissertation wurde ein datengetriebenes Verfahren zum maschinellen Lernen von Mensch-Roboter Interaktionen auf Basis von Mensch-Mensch Demonstrationen entwickelt. Während einer Trainingsphase werden Bewegungen zweier Interakteure mittels Motion Capture erfasst und in einem Zwei-Personen Interaktionsmodell gelernt. Zur Laufzeit wird das Modell sowohl zur Erkennung von Bewegungen des menschlichen Interaktionspartners als auch zur Generierung angepasster Roboterbewegungen eingesetzt. Die Leistungsfähigkeit des Ansatzes wird in drei komplexen Anwendungen evaluiert, die jeweils kontinuierliche Bewegungskoordination zwischen Mensch und Roboter erfordern. Das Ergebnis der Dissertation ist ein Lernverfahren, das intuitive, zielgerichtete und sichere Kollaboration mit Robotern ermöglicht.

Die Konzeption und Durchführung komplexer und auf Innovation ausgerichteter Produktentwicklungsprojekte ist ein fester und wesentlicher Bestandteil des Curriculums im Studiengang M.A. Produktgestaltung an der Fakultät Gestaltung der HTW-Dresden. Praxisnah und in möglichst authentischen Entwicklungsumgebungen wird in Form eines Kooperationsprojekts eine konkrete Aufgabe für ein Unternehmen bearbeitet. Für die Unternehmen sind solche Projekte Teil ihrer mehr oder weniger bereits etablierten kollaborativen Wertschöpfungsnetzwerke. Im gegenteiligen Fall werden solche Modelle von unserer Seite her an die Unternehmen herangetragen und diskutiert. In der Regel entstehen an die Semesterzeiten gebundene und ergebnisoffene Machbarkeitsstudien. Die Studierenden erhalten im Gegenzug die Möglichkeit, ihr theoretisches Wissen ganz eng an der Wirklichkeit zu üben, entsprechende Erfahrungen zu sammeln und sich über solche Projekte für die spätere Berufspraxis zu empfehlen. Die Fakultät Gestaltung hat in diesem Sinne bereits mit einer Vielzahl von Kooperationspartnern zusammengearbeitet und sehr viel positive Erfahrung sammeln können Das Projekt mit dem Arbeitstitel \"Abkantmaschine für die Industrie 4.0\" wurde für die Bystronic AG in Gotha/Thüringen erarbeitet. Die Bystronic AG ist Tochter eines schweizer Unternehmens und stellt Laserstrahlschneid-, Wasserstrahlschneid- und Abkantmaschinen her. / The design and implementation of complex and geared to innovation product development projects is an integral and essential part of the curriculum in the course MA Product design at the Design Faculty of HTW Dresden. Practical and in authentic development environments a specific task is processed for a company in the form of a cooperation project. For companies, such projects are part of their more or less established collaborative value networks. In the opposite case, such models are brought and discussed by our side to companies. Usually caused bound to the semester dates and open-ended feasibility studies. The students receive in return the opportunity to practice their theoretical knowledge very closely to reality, to gain experience and to advise on such projects in their later professional applications and practice. The Faculty of Design has worked in this sense, with a number of partners and gained a lot of positive experience. The project with the working title \"pressbrake for industry 4.0\" has been developed for Bystronic AG in Gotha/Thuringia. The Bystronic AG is a subsidiary of a Swiss company and produces laser cutting and waterjet systems as well as pressbrakes.

Die dauerhafte Reduktion der von Menschen verursachten Emissionen ist eine der zentralen Herausforderungen unserer Zeit. Eine Strategie zur Reduzierung von Emissionen im Mobilitätssektor sind elektrisch betriebene Fahrzeuge, die je nach Typ teilweise oder vollständig mit Strom angetrieben werden. Für die Verkehrspsychologie stellt sich nun die Frage, ob und wie schnell sich Fahrer an die Nutzung von Elektrofahrzeugen gewöhnen und welche Herausforderungen sich aus Nutzersicht ergeben. Anhand von Studien mit vollelektrischen Fahrzeugen wurden in der vorliegenden Arbeit zwei grundlegende Eigenschaften von Elektrofahrzeugen aus psychologischer Perspektive untersucht: Zum einen verfügen Elektrofahrzeuge über eine Rekuperationsfunktion, mit der es möglich ist, in Verzögerungsvorgängen kinetische in elektrische Energie umzuwandeln, also Energie rückzugewinnen und damit letztlich die Emissionen zu reduzieren. Zum anderen beschränkt sich die mögliche Emissionsreduktion von Elektrofahrzeugen nicht nur auf den CO2-Ausstoß, sondern betrifft auch die Geräuschentwicklung dieser Fahrzeuge. Fahrzeuge mit Elektroantrieb emittieren weniger Geräusche, was einerseits die Lärmbelastung durch Straßenverkehr reduzieren kann, zum anderen aber auch zu Bedenken z.B. blinder Verkehrsteilnehmer geführt hat. Gerade bei geringen Geschwindigkeiten sind Elektrofahrzeuge schlechter wahrnehmbar und dadurch eine potentielle Gefahr für andere Verkehrsteilnehmer. Das erste Ziel der vorliegenden Dissertation bestand darin, die Auswirkungen einer über das Gaspedal gesteuerten Rekuperation aus verkehrspsychologischer Perspektive zu untersuchen. Die zur Nutzung der Rekuperation nötigen motorischen Fertigkeiten müssen erlernt und in unterschiedlichen Verkehrssituationen angewandt werden. Basierend auf dem Power Law of Practice (Newell & Rosenbloom, 1981) wurde der Fertigkeitserwerb bei der Nutzung der Rekuperationsfunktion eingehend betrachtet. Anhand von Fahrzeugdaten lassen sich eine sehr steile Lernkurve und damit ein kurzer Adaptationsprozess zeigen, der mit einer Powerfunktion beschrieben werden kann. Bereits innerhalb der ersten gefahrenen Kilometer nehmen die Anzahl der konventionellen Bremsmanöver und ihr zeitlicher Anteil an der gesamten Verzögerung rapide ab. Das zweite Ziel der vorliegenden Dissertation war, die Auswirkungen der geringeren Geräuschemission auf das Verkehrsgeschehen zu prüfen. Dies erfolgte jedoch nicht, wie in anderen Studien bereits dargestellt, aus Fußgängerperspektive, sondern aus der Fahrerperspektive. Da die Fahrer gerade in der Anfangsphase eine zentrale Rolle bei der Entschärfung geräuschbedingter kritischer Situationen spielen, soll die Arbeit dazu beitragen, diese Forschungslücke zu schließen, um eine umfassendere Bewertung der Geräuschthematik bei Elektrofahrzeugen zu ermöglichen. In Anlehnung an Deerys (1999) Modell zu Fahrerreaktionen auf potentielle Gefahren, wurden Risikowahrnehmung (risk perception) und Gefahrenwahrnehmung (hazard perception) als entscheidende Determinanten der Fahrerreaktion auf geräuschbedingte Gefahrensituationen identifiziert. Was die Risikowahrnehmung betrifft, so konnte gezeigt werden, dass diese sich mit zunehmender Erfahrung verändert. Risiken aufgrund der Geräuscharmut werden als weniger bedrohlich, das leise Fahren zunehmend als Beitrag zum Komfort gewertet. Zusätzlich wurden im Rahmen der Dissertation Situationen im Straßenverkehr näher untersucht, die aufgrund der Geräuscharmut von Elektrofahrzeugen auftraten. Darauf aufbauend wurde ein Katalog von geräuschbedingten Szenarien erstellt, der als empirische Grundlage für die nähere Betrachtung der Gefahrenwahrnehmung von Fahrern diente. Ergebnisse daraus resultierender Experimente zur Detektion von geräuschbedingten Gefahren (hazard detection tasks) zeigten, dass die individuelle Erfahrung mit Elektrofahrzeugen offenbar lediglich eine untergeordnete Rolle bei der Erkennung und Reaktion auf geräuschbedingte Gefahren spielt. Erfahrene Fahrer von Elektrofahrzeugen unterschieden sich nur marginal von unerfahrenen Fahrern in der Reaktion in und der Bewertung von geräuschbedingten Gefahrensituationen, was darauf hindeutet, dass geräuschbedingte Gefahrensituationen auch von Fahrern ohne extensive Erfahrung mit Elektrofahrzeugen bewältigt werden können. Das dritte, übergreifende Ziel der Dissertation bestand darin, die Bedeutung beider Eigenschaften für die Nutzerakzeptanz zu untersuchen. Neben der Untersuchung momentan existierender Barrieren (z.B. Reichweite, Preis, Batterielebensdauer), die eine weitreichende Adoption von Elektrofahrzeugen erschweren können, ist es ebenso wichtig, solche Eigenschaften zu identifizieren, die sich positiv auf das Nutzererleben auswirken. Sowohl die Rekuperation, als auch die Geräuscharmut spielen eine wichtige Rolle in der Nutzerbewertung, da beide Eigenschaften als zentrale, individuell erlebbbare Vorteile von Elektrofahrzeugen beurteilt werden. Im Hinblick auf die Geräuschemission lässt sich konstatieren, dass diese mit zunehmender Erfahrung des Fahrers fast ausschließlich als Vorteil statt als Barriere von Elektrofahrzeugen gewertet wird. Eine bemerkbare, über das Gaspedal gesteuerte Rekuperation scheint als Teil des Fahrererlebens ebenfalls eine zentrale Rolle in der Bewertung zu spielen. Ein hohes Maß an Nutzerakzeptanz und Vertrauen in das System unterstreichen die positive Evaluation einer solchen Funktionalität. Aus verkehrspsychologischer Sicht haben die angeführten Eigenschaften von Elektrofahrzeugen Auswirkungen auf verschiedene Teilaufgaben der Fahrzeugführung. So sind nicht nur motorische Fertigkeiten in der Pedalnutzung (Stabilisierungsbene) erforderlich, sondern auch komplexere kognitive Prozesse, wie z.B. der Umgang mit möglichen Gefahrensituationen aufgrund der geringen Geräuschemission (Bahnführungsebene). Insgesamt weisen die Ergebnisse der Dissertation darauf hin, dass Herausforderungen aufgrund beider oben genannten Fahrzeugeigenschaften gemeistert werden können. Zusätzlich zeigen die Ergebnisse, dass beide Eigenschaften von den Nutzern als willkommene Aspekte der technologischen Innovation geschätzt werden und somit zur allgemeinen Akzeptanz von Elektrofahrzeugen beitragen können. Da auch andere Fahrzeugkonzepte mit elektrischem Antriebsstrang diese beiden Eigenschaften aufweisen, lassen sich die gefundenen Ergebnisse auf andere Fahrzeugtypen übertragen.:Synopsis 1 1 Road transport and emissions 1 2 Overview of the dissertation 3 3 Specific features of BEVs from a psychological perspective 4 3.1 Regenerative braking 5 3.2 Low external vehicle noise 6 4 BEV specific attributes and their relevance for the driving task 8 4.1 Michon’s model 8 4.2 The ECOM model 9 5 BEV specific attributes and their relevance for driver acceptance 11 5.1 Regenerative braking and acceptance 11 5.2 Low noise emission and acceptance 12 6 Research objectives of the dissertation 13 6.1 Research objective 1: Examination of regenerative braking skill acquisition and system trust 13 6.2 Research objective 2: Low noise emission and its implications for risk and hazard perception of drivers 14 6.3 Research objective 3: Regenerative braking and low noise emission as crucial factors for acceptance of BEVs 14 7 Overview of methodology 15 8 Discussion and critical reflection of results 17 8.1 Research objective 1: Examination of regenerative braking skill acquisition and trust 19 8.1.1 Objective parameters 19 8.1.2 Subjective parameters 20 8.2 Research objective 2: Low noise emission and its implications for risk and hazard perception of drivers 20 8.2.1 Step 1: Creation of a catalogue of noise related scenes 21 8.2.2 Step 2: Driver assessment of low noise emission of BEVs (risk perception) 21 8.2.3 Step 3: Development of a task to study driver responses in noise related incidents (hazard perception) 23 8.3 Research objective 3: Regenerative braking and low noise emission as crucial factors for acceptance of BEVs 25 8.3.1 Experiential advantages 25 8.3.2 Experiential barriers 26 9 Implications and conclusions 27 9.1 Specific implications of regenerative braking 28 9.2 Specific implications of low noise 29 10 References 30 Paper I: Energy recapture through deceleration – regenerative braking in electric vehicles from a user perspective 39 Paper II: Driver perceptions of the safety implications of quiet electric vehicles 65 Paper III: Is EV experience related to EV acceptance? Results from a German field study 95 Paper IV: Hazard detection in noise-related incidents – the role of driving experience with battery electric vehicles 133 Curriculum Vitae 169 Publications 173