Verlagspublikationen

TETRA GmbH Ilmenau und drei universitäre Lehrstühle zeigen im Projekt InspiRat, dass bei wissenschaftlicher Unterstützung auch die deutsche Industrie in der Lage ist, in der Robotik internationale Standards zu setzen. InspiRat und RatNics als Akronyme sollen Assoziationen wecken: Analyse des Kletterns insbesondere von Ratten trieb den Bau einer neuen Klasse von Robotern. Waren zu Beginn des Projektes integrierte Kletterroboter mit Massen > 35 kg verfügbar, so gibt es nun Maschinen mit 1 kg bis 2 kg Masse, experimentell modulare Systeme mit 250 g Masse. Nebenergebnis ist die weltweite Definition des Standes der Technik der Röntgenvideographie zusammen mit der Siemens® AG: biplanar 2.000 Röntgenbilder/Sekunde in HD. Ergebnisse universitärer Studien werden in Journalen publiziert, doch belegt die Nachfrage nach dem Abschlussbericht des Projektes für das BMBF das Interesse an einer übergreifenden, transdisziplinären Darstellung des bionischen Entwicklungsprozesses. Wir publizieren deswegen diesen Abschlussbericht nur geringfügig redaktionell überarbeitet. Er beschreibt somit den wissenschaftlichen Stand 2011 in einer auf den Fördermittelgeber zugeschnittenen Darstellungsweise. Die Wissenschaft ist nicht stehen geblieben, wir erleichtern die Nachverfolgung durch Angabe einiger Publikationen aus der Zeit nach Projektende. Doch ist unser Anspruch nicht prospektiv wie bei Zeitschriftenartikeln, wir wollen retrospektiv die Analyse eines erfolgreich abgeschlossenen Prozesses ermöglichen.

IT Systeme mit qualitativ hohen Sicherheitsanforderungen verwenden zur Beschreibung, Analyse und Implementierung ihrer Sicherheitseigenschaften zunehmend problemspezifische Sicherheitspolitiken, welche ein wesentlicher Bestandteil der Trusted Computing Base (TCB) eines IT Systems sind. Aus diesem Grund sind die Korrektheit und Unumgehbarkeit der Implementierung einer TCB entscheidend, um die geforderten Sicherheitseigenschaften eines Systems herzustellen, zu wahren und zu garantieren. Viele der heutigen Betriebssysteme zeigen, welche Herausforderung die Realisierung von Sicherheitspolitiken darstellt; seit mehr als 40 Jahren unterstützen sie wahlfreie identitätsbasierte Zugriffssteuerungspolitiken nur rudimentär. Dies führt dazu, dass große Teile der Sicherheitspolitiken von Anwendersoftware durch die Anwendungen selbst implementiert werden. Infolge dessen sind die TCBs heutiger Betriebssysteme groß, heterogen und verteilt, so dass die exakte Bestimmung ihres Funktionsumfangs sehr aufwendig ist. Im Ergebnis sind die wesentlichen Eigenschaften von TCBs - Korrektheit, Robustheit und Unumgehbarkeit - nur schwer erreichbar. Dies hat zur Entwicklung von Politik gesteuerten Betriebssystemen geführt, die alle Sicherheitspolitiken eines Betriebssystems und seiner Anwendungen zentral zusammenfassen, indem sie Kernabstraktionen für Sicherheitspolitiken und Politiklaufzeitumgebungen anbieten. Aktuelle Politik gesteuerte Betriebssysteme basieren auf monolithischen Architekturen, was dazu führt, dass ihre Komponenten zur Durchsetzung ihrer Politiken im Betriebssystemkern verteilt sind. Weiterhin verfolgen sie das Ziel, ein möglichst breites Spektrum an Sicherheitspolitiken zu unterstützen. Dies hat zur Folge, dass ihre Laufzeitkomponenten für Politikentscheidung und -durchsetzung universal sind. Im Ergebnis sind ihre TCB-Implementierungen groß und komplex, so dass der TCB- Funktionsumfang nur schwer identifiziert werden kann und wesentliche Eigenschaften von TCBs nur mit erhöhtem Aufwand erreichbar sind. Diese Dissertation verfolgt einen Ansatz, der die TCBs Politik gesteuerter Betriebssysteme systematisch entwickelt. Die Idee ist, das Laufzeitsystem für Sicherheitspolitiken so maßzuschneidern, dass nur die Politiken unterstützt werden, die tatsächlich in einer TCB vorhanden sind. Dabei wird der Funktionsumfang einer TCB durch kausale Abhängigkeiten zwischen Sicherheitspolitiken und TCB-Funktionen bestimmt. Das Ergebnis sind kausale TCBs, die nur diejenigen Funktionen enthalten, die zum Durchsetzen und zum Schutz der vorhandenen Sicherheitspolitiken notwendig sind. Die präzise Identifikation von TCB-Funktionen erlaubt, die Implementierung der TCB-Funktionen von nicht-vertrauenswürdigen Systemkomponenten zu isolieren. Dadurch legen kausale TCBs die Grundlage für TCB-Implementierungen, deren Größe und Komplexität eine Analyse und Verifikation bezüglich ihrer Korrektheit und Unumgehbarkeit ermöglichen. Kausale TCBs haben ein breites Anwendungsspektrum - von eingebetteten Systemen über Politik gesteuerte Betriebssysteme bis hin zu Datenbankmanagementsystemen in großen Informationssystemen.

Das Ziel dieser Dissertation ist die Erforschung von Determinanten der kurzfristigen und langfristigen Nutzung von Smart Metern und damit im Zusammenhang stehenden Produkten. Dabei wird auf das Rubikon-Modell, wie auch Ergebnisse aus der Technikakzeptanzforschung und der umweltpsychologischen Forschung zur Energienutzung und Lebensstilen zurückgegriffen. Auf dieser Grundlage wird das eigene Forschungsmodell LIMA (Longterm Intelligent Metering Adoption) entwickelt. Im Rahmen des RESIDENS-Projekts werden die benötigten Daten mit Hilfe eines Paneldesigns mit drei Wellen erfasst. Bei der Datenerhebung wird ein Methodenmix zur Erfassung von objektiven und subjektiven Daten eingesetzt. Die Überprüfung der Messmodelle und des LIMA-Modells erfolgt mit Hilfe von Strukturgleichungsmodellen und Pfadanalysen. Mit kleinen Anpassungen beschreiben die Modelle die empirischen Daten relativ gut. Insgesamt zeigen die Studienergebnisse, dass Smart Metering und damit im Zusammenhang stehende Produkte von einem Teil der Bevölkerung sowohl zum gegenwärtigen Stand der Technik, als auch in einem Zukunftsszenario mit automatisierter Steuerung der Haushaltsgeräte akzeptiert werden. Dieser Teil der Bevölkerung sind die Innovatoren, die neue Technologien als Erste nutzen.

In der vorliegenden Dissertation werden differential-algebraische Gleichungen (differential-algebraic equations, DAEs) der Form d dt Ex = Ax + f betrachtet, wobei E und A beliebige Matrizen sind. Falls E nichtverschwindende Einträge haben, dann kommen in der Gleichung Ableitungen der entsprechenden Komponenten von x vor. Falls E eine Nullzeile hat, dann kommen in der entsprechenden Gleichung keine Ableitungen vor und sie ist rein algebraisch. Daher werden Gleichungen vom Typ d dt Ex = Ax + f differential-algebraische Gleichungen genannt. Ein Ziel dieser Dissertation ist es, eine strukturelle Zerlegung einer DAE in vier Teile herzuleiten: einen ODE-Anteil, einen nilpotenten Anteil, einen unterbestimmten Anteil und einen überbestimmten Anteil. Jeder Anteil beschreibt ein anderes Lösungsverhalten in Hinblick auf Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen für eine vorgegebene Inhomogenität f und Konsistenzbedingungen an f. Die Zerlegung, namentlich die quasi-Kronecker Form (QKF), verallgemeinert die wohlbekannte Kronecker-Normalform und behebt einige ihrer Nachteile. Die QKF wird ausgenutzt, um verschiedene Konzepte der Kontrollierbarkeit und Stabilisierbarkeit für DAEs mit f = Bu zu studieren. Hier bezeichnet u den Eingang des differential-algebraischen Systems. Es werden Zerlegungen unter System- und Feedback-Äquivalenz, sowie die Folgen einer Behavioral-Steuerung K_x x + K_u u = 0 für die Stabilisierung des Systems untersucht. Falls für das DAE-System zusätzlich eine Ausgangs-Gleichung y =Cx gegeben ist, dann lässt sich das Konzept der Nulldynamik wie folgt definieren: die Nulldynamik ist, grob gesagt, die Dynamik, die am Ausgang nicht sichtbar ist, d.h. die Menge aller Lösungs-Trajektorien (x,u,y) mit y = 0. Für rechts-invertierbare Systeme mit autonomer Nulldynamik wird eine Zerlegung hergeleitet, welche die Nulldynamik entkoppelt. Diese versetzt uns in die Lage, eine Behavior-Steuerung zu entwickeln, die das System stabilisiert, vorausgesetzt die Nulldynamik selbst ist stabil. Wir betrachten auch zwei Regelungs-Strategien, die von den Eigenschaften der oben genannten System-Klasse profitieren: Hochverstärkungs- und Funnel-Regelung. Ein System d dt Ex = Ax + Bu, y =Cx, hat die Hochverstärkungseigenschaft, wenn es durch die Anwendung der proportionalen Ausgangsrückführung u = -ky, mit k > 0 hinreichend groß, stabilisiert werden kann. Wir beweisen, dass rechts-invertierbare Systeme mit asymptotisch stabiler Nulldynamik, die eine bestimmte Relativgrad-Annahme erfüllen, die Hochverstärkungseigenschaft haben. Während der Hochverstärkungs-Regler recht einfach ist, ist es jedoch a priori nicht bekannt, wie groß die Verstärkungskonstante k gewählt werden muss. Dieses Problem wird durch den Funnel-Regler gelöst: durch die adaptive Justierung der Verstärkung über eine zeitabhängige Funktion k(.) und die Ausnutzung der Hochverstärkungseigenschaft wird erreicht, dass große Werte k(t) nur dann angenommen werden, wenn sie nötig sind. Eine weitere wesentliche Eigenschaft ist, dass der Funnel-Regler das transiente Verhalten des Fehlers e = y - y ref der Bahnverfolgung, wobei y ref die Referenztrajektorie ist, beachtet. Für einen vordefinierten Performanz-Trichter (funnel) [Psi] wird erreicht, dass e(t) < [Psi](t). Schließlich wird der Funnel-Regler auf die Klasse von MNA-Modellen von passiven elektrischen Schaltkreisen mit asymptotisch stabilen invarianten Nullstellen angewendet. Dies erfordert die Einschränkung der Menge der zulässigen Referenztrajektorien auf solche die, in gewisser Weise, die Kirchhoffschen Gesetze punktweise erfüllen.

In diesem Band sind die Beiträge des 10. Kolloquiums Getriebetechnik 2013 in Ilmenau zusammengestellt. Getriebe für Web- und Flechtmaschinen, für Schränke und Sessel, ein Schlagmechanismus für eine bevorstehende Marsmission, Robotersysteme für Mensch-Maschine-Schnittstellen, ein Mechanismus in einem Großteleskop oder Präzisionsmessgerät, ein einfacher Federbügel sowie nachgiebige Aktuatoren und Mechanismen - das sind nur einige von den hoch interessanten Systemen, die in diesem Band vorzufinden sind.