Johannes Erkner: Trainingsoptimierung und Leistungsprädiktion im ausdauerorientierten Laufsport anhand antagonistischer
Metamodelle
Im ausdauerorientierten Laufsport ist die richtige Trainingssteuerung für eine optimale Wettkampfvorbereitung
von groÿer Bedeutung. Ist der Trainingsreiz zu niedrig wird der Anpassungsprozess des Körpers an die Belastung
nicht gefördert und das Leistungsniveau bleibt konstant. Ist die Intensität hingegen zu hoch, kommt
es aufgrund unzureichender Regeneration zum Leistungseinbruch des Athleten. Für Spitzensportler erfolgt die
Trainingssteuerung meist durch Messen physiologischer Parametern wie die maximale Sauerstoaufnahme oder
durch die Laktatkonzentration im Blut. Mithilfe dieser Daten sowie erfahrenen Trainern kann so eine Trainingsvorbereitung
individuell für den Athleten optimiert werden. Da diese, zum Teil aufwendigen Messmethoden,
für Hobbysportlern meist nicht verfügbar sind, erfolgt im Breitensport die Wettkampfvorbereitung oft anhand
allgemeiner Trainingspläne oder Faustformeln.
In der Trainingswissenschaft ist man daher bemüht geeignete Modelle zu entwickeln, mit denen die Wirkung des
sportlichen Trainings auf die Ausdauerleistungsfähigkeit abgebildet werden kann um die Trainingsoptimierung
im Breitensport zu vereinfachen. Zusätzlich können mithilfe dieser Modelle verschiedene Wettkampfstrategien
simuliert und die jeweilige Performance des Athleten beobachtet werden, ohne diesen hohen Belastungen selbst
ausgesetzt zu sein.
Die derzeit am häu gsten verwendeten (Meta)Modelle sind das Fitness-Fatigue Modell sowie das Performance-
Potential (PerPot-Modell). Der Modellaufbau beruht hierbei auf einem antagonistischen Prinzip. Die Eingangsgr
öÿe, ein Trainingsreiz, wirkt sich demnach, positiv durch Steigerung der Fitness, als auch negativ, durch
Zunahme der Ermüdung, auf die resultierende Leistung aus. Physiologisch betrachtet bezieht sich die Wechselwirkung
zwischen Belastung und Leistung auf das Superkompensationsprinzip. Dieser Eekt beschreibt die
Leistungssteigerung nach einer hohen Belastung mit anschlieÿender Ruhepause.
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Elias Himmelbauer: Cooperative Highway Merging
Autobahnauffahrten sind eine der größten Unsicherheiten was das sichere Fahren auf Autobahnen betrifft. Es gibt eine Menge Faktoren, die das Einreihen unsicher machen können. Sehr viele davon sind auf menschliches Fehlverhalten zurückzuführen. Dieses Fehlverhalten kann sowohl durch Falscheinschätzung der Distanzen und Geschwindigkeiten der anderen Fahrzeuge, als auch durch stressbedingte Fehlentscheidungen aufgrund der kurzen Entscheidungsfindungszeit verursacht werden. Da jeder Verkehrteilnehmer andere Fähigkeiten und ein anderes Fahrverhalten aufweist, ist der resultierende Einreihvorgang meistens ineffizient und kann durch verschiedene Kriterien ausgelöst werden. Diese wären beispielsweise der Sicherheitsabstand zum vorhergehenden als auch zum seitlich fahrenden Fahrzeug, unnötiges Bremsen, Beschleunigen oder Spurwechseln und damit Komfortverlust für die Insassen, sowie höherer Treibstoffverbrauch und dadurch entstehende Kosten und Ressourcenverschwendung.
Diese Arbeit wird verschiedene Möglichkeiten der Ooptimierung für sichere und effiziente Einreihvorgänge verglichen, deren Ursprünge auf Videoaufnahmen von Drohnen über deutsche Autobahnauffahrten basieren. Dabei werden nur ein oder mehrere Fahrzeuge auf den Hauptspuren optimiert. Das einreihende Fahrzeug bleibt unverändert. Das Ziel dieser Arbeit ist die Verbesserung der Situation für das einreihende Fahrzeug beim Einreihen.
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Christoph Huber: Anwendung von Spieltheorie-Konzepten zur Analyse von Verkehrssituationen
Autonome Fahrzeuge sind ein Teilgebiet der Technik, an welchem derzeit rege geforscht wird. Die Vorstellung eines komplett autonom arbeitenden Verkehrssystems wäre ein weiterer großer Schritt in der Entwicklung des Straßenverkehrs. Doch der Weg zu einem vollkommen autonom gesteuerten Verkehr ist noch ein langer, werden doch enorm hohe Ansprüche an die Sicherheit gestellt. Umso wichtiger ist, dass man alle Möglichkeiten der Entwicklung solcher Systeme wahrnimmt und laufend verbessert,
um möglichst bald einem autonomen Verkehrsgeschehen näher zu kommen. Durch Verknüpfung unterschiedlichster Teilgebiete der Wissenschaft eröffnen sich ganz andere und neue Möglichkeiten, welche in die Richtung von autonomen
Fahrsystemen abzielen. Verbindet man beispielsweise einen spieltheoretischen Ansatz mit einem rechnerbasierten Prädiktionsansatz, so ergibt sich eine Möglichkeit, das Verkehrsgeschehen in einer ganz neuen Art und Weise zu beschreiben und zu
analysieren.
Dies ist auch das Grundkonzept dieser Arbeit. Es wird versucht, durch spieltheoretische
Hintergründe das Verhalten von anderen Verkehrsteilnehmern korrekt zu erfassen und anschließend einzustufen, um weiterführend die korrekten Handlungen zu setzen. Dabei sollte im Optimalfall das eigene Ziel unter allen Umständen bestmöglich
erreicht werden und Konflikte, wie das Fahren außerhalb der eigenen Spur oder etwa Zusammenstöße mit anderen Fahrzeugen, vermieden werden.
In dieser Arbeit wird in Anlehnung an die Literatur [11] von N. Li et al. ein Konzept vorgestellt, das es ermöglicht, die Verhaltensweisen vieler hierarchisch eingestuften Verkehrsteilnehmer zu analysieren. Matlab wird verwendet, um das Konzept zu
implementieren und zu testen. Nach diesen Testungen wird anhand der erhaltenen Ergebnisse ein Regler entworfen.
Dieser versucht, Handlungen korrekt einzustufen und dementsprechend richtige Reaktionen zu setzen.
Darüber hinaus wird das vorgestellte Konzept durch Einbringen eigener Ideen verbessert und diskutiert. Dabei handelt es sich um eine Interpolationsmethode, welche versucht, mit weniger Daten auf bessere Ergebnisse zu kommen.
Mit realen Fahrzeugdaten soll am Ende eine Validation durchgeführt werden. Aufgrund derzeitiger Situation der Covid19-Pandemie war leider die Aufnahme von Daten unter den gewünschten Bedingungen nicht möglich, weshalb mit bereits
bestehenden Daten gearbeitet wurde.
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Daniel Lumplecker: Identifikation der Heiz-und Kühlstrategie eines modernen Premium-PKWs (Reverse Engineering)
Die Fahrgastraumtemperatur eines PKWs ist in vielerlei Hinsicht von Bedeutung. Während der direkte
Sicherheitsaspekt überwiegt, also das Beschlagen oder Aneisen der Scheiben unbedingt verhindert
werden muss, spielt auch der Fahrerkomfort eine entscheidende Bedeutung für die Sicherheit. Zu hohe
Temperaturen wirken sich negativ auf die Konzentrationsfähigkeit und Aufmerksamkeit aus, doch auch
Tiefsttemperatur können die Leistungsfähigkeit des Fahrers beschränken.
Darüber hinaus wird von modernen Fahrzeugen ein entsprechender Komfort gefordert, also das schnelle
Annähern an dieWunschtemperatur, was entsprechend hohe Heiz- bzw. Kühlleistungen erfordert.Weiters
soll geringe Geräuschbelästigung sowie eine stabile Temperaturregelung bei externen Störungen erreicht
werden. Solche Störung sind insbesondere der Fahrtwind sowie Sonneneinstrahlung welche das thermische
Gleichgewicht aber auch die subjektiv empfundene Temperatur stark beeinflussen können.
Zusätzlich darf auch der Einfluss auf den Gesamtverbrauch nicht vernachlässigt werden, welcher bis zu
50% betragen kann. Die Serienimplementierung der Fahrgastraumtemperierung muss einen Kompromiss
zwischen den widersprüchlichen Anforderungen finden.
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Daniel Mühlberger: Analyse, Modellierung und Regelung eines Fernwärmenetzes
Die nachhaltige Nutzung von Rohstoffen sowie die effiziente Gestaltung technischer Prozesse spielt in
Zeiten steigender Belastung der Umwelt und klimatischer Krisen weltweit eine immer größere Rolle.
Aus diesem Grund gewinnt nicht nur die sinnvolle Nutzung von bei Prozessen anfallender Restwärme,
sondern auch die an Verbraucher oder Abnehmer angepasste Abfuhr in Wärmekraftwerken immer mehr
an Bedeutung. Letztgenanntes ist auch der Ausgangspunkt für die hier in der Folge weiter definierte
Bachelorarbeit.
Die voestalpine betreibt ein Fernwärmenetz bestehend aus diversen Verbrauchern und einem externern
Fernwärmenetzbetreiber als finalem Abnehmer der Fernwärme. Gespeist wird das Netz einerseits durch
ein Kraftwerk, welches in dieser Arbeit zur Regelung der Eingangstemperatur im Fernwärmenetz verwendet
werden soll, und andererseits durch eine zwischengeschaltete Heizzentrale. Diese stellt wiederum
Leistungsanforderungen an das Fernwärmenetz und kann ihrerseits die Temperatur im Netz nur erhöhen,
nicht aber senken.
Es existiert bereits ein Modell zur Bedarfsabschätzung des externern Fernwärmenetzbetreibers, derzeit
erfolgt die Einstellung der Temperatur im Kraftwerk jedoch lediglich manuell – somit ergeben sich sehr
hohe Anforderungen an die Heizzentrale. Diese ist zwar für relativ schnelle Regelvorgänge geeignet, jedoch
nicht so energieeffizient wie das Heizkraftwerk. Zusätzlich besitzt das Gesamtsystem aufgrund langer
Rohrleitungen eine sehr hohe Totzeit, welche einen schnellen Eingriff von Seiten des Kraftwerks unmöglich
macht.
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Maximilian Müehleder: Mehrziel-Extremum-Seeking zur verbrauchs- und emmisionsoptimalen Regelung bei Dieselmotoren
Die stetige Verbesserung von Verbrennungskraftmaschinen in Hinblick auf Emissionen und Effizienz
war schon immer ein großes Thema seit ihrer Entwicklung. Diese Arbeit behandelt die Anwendung von
extremum seeking an einem Dieselmotor. Die Aufgabe ist es, eine geeignete Stellgröße zu finden, in der die
Vorteile von extremum seeking control genützt werden. Es gibt bereits einige Ansätze zu dieser Anwendung.
Dabei wird auf viele Probleme und deren Lösung in der Anwendung eingegangen, sowie auf die Ergebnisse und
deren Bedeutung. Die Tests zeigen, dass diese Methode mit müberschaubarem Aufwand an einem Dieselmotor
Einsatz findet und die Emissionen optimal reduziert, während die gewünschte Ausgangsleistung erreicht wird.
Es wird auch gezeigt, dass es verschiedene Betriebspunkte vom Dieselmotor gibt, wo extremum seeking erfolgreich
angewendet werden kann und welche, wo weitere Überlegungen notwendig sind.
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Christian Schauer: Ecodriving in der Kolonne
Ecodriving bedeutet, ein Fahrzeug ökonomisch, also mit geringem Kraftstoffverbrauch zu betreiben. Es
existieren bereits Verfahren zur Berechnung der optimalen Fahrzeugaktionen (daraus resultieren natürlich
auch die optimalen Fahrzuegzustände wie zum Beispiel die Geschwindigkeit v), sodass der minimale
Kraftstoffverbrauch auf einer definierten Route erzielt wird. Jedoch wird hierbei der Einfluss anderer
Verkehrsteilnehmer nicht berücksichtigt (offline). Die Präsenz anderer Verkehrsteilnehmer führt dazu,
dass die offline berechnete Lösung im realen Betrieb nicht direkt angewandt werden kann, da sonst
mit großer Wahrscheinlichkeit ein Auffahrunfall passieren würde. Es zeigte sich, dass durch tracken der
offline berechneten Lösung mit Hilfe eines Reglers unter der Präsenz eines vorausfahrenden Fahrzeuges
nennenswerte Kraftstoffeinsparungen gegenüber dem vorausfahrenden Fahrzeug erzielt werden konnten.
Spannend ist es nun zu klären, ob diese online Regelung auch für eine Reihe von Fahrzeugen verwendet
werden kann.
In der Bachelorarbeit wird ein einfacher, modellprädiktiver Regler (MPC) entworfen, mit dem es möglich
ist, unter Annahme einer perfekten Vorhersage des Verhaltens des vorausfahrenden Fahrzeuges und
unter Einhaltung eines Sicherheitsabstandes zu diesem, die optimale, offline berechnete Geschwindigkeitstrajektorie
zu tracken. Im Anschluss wird dieser Regler in der Simulation mit mehreren, hintereinander
fahrenden, geregelten Fahrzeugen, die gemeinsam einem vorausfahrenden, vom Menschen gesteuerten
Fahrzeug folgen, getestet.
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Johannes Schrotshamer: Trajectorienvorhersage mittels Conditional Generative Adversarial Networks
Fahrerassistenzsysteme leisten bereits heute einen großen Beitrag für mehr Verkehrssicherheit.
Systeme, wie ABS und ESP gehören schon seit geraumer Zeit zur Grundausstattung
eines jeden Fahrzeuges und unterstützen den Fahrer in kritischen Situationen.
In Mittel- und Oberklasse PKWs halten seit einigen Jahren auch sogenannte
"Advanced Driver Assistant Systems (ADAS)", wie Adaptive Cruise Control, Notbremsassistent,
Spurhalte- und Spurwechselassistent usw. Einzug, welche eine weitere Steigerung
der Verkehrssicherheit versprechen. Da diese Systeme großteils auf physikalisch basierten
Modellen aufbauen, kann die Performance durch fortschrittlichere Methoden, wie
Manover basierte oder interaktionsbewusste Modelle noch deutlich gesteigert werden.
Durch Implementierung von Kurzzeit-Bewegungsvorhersagemodellen (Vorhersage der
Fahrzeugtrajektorie) konnen die Sicherheit, Ezienz und auch Luxusprobleme, wie der
Fahrkomfort verbessert und ein weiterer Schritt in Richtung "autonomes Fahren" gemacht werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, ein Vorhersagemodell mittels CGAN und realen Fahrdaten
zu trainieren, welches eine stochastische Pradiktion mithilfe von Informationen des bereits
zuruckgelegten Weges fur die Geschwindigkeit und Position des Fahrzeuges auf
der Fahrbahn liefert. Abschließend soll eine Evaluierung der Performance der generierten
Pradiktionen und ein Vergleich zur klassischen Methode des Bayes'schen Ansatzes
durchgeführt werden.
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Bei der Implementierung autonomer Fahrfunktionen spielt die Prädiktion der möglichen zukünftigen
Aufenthaltsbereiche anderer Verkehrsteilnehmer eine sehr große Rolle, da basierend darauf das Verhalten
des eigenen Fahrzeugs auf eventuell drohende Gefahren in naher Zukunft abgestimmt werden kann. Um
diese Herausforderung zu meistern, gibt es Ansätze in verschiedenen Richtungen. Physikbasierte Modelle
bedienen sich meist sehr simpler Größen wie Geschwindigkeit, Beschleunigung oder Lenkwinkel.
In der Regel resultieren solche Methoden jedoch in einer einzelnen Trajektorie, die nur für sehr kurze
Prädiktionshorizonte geeignet ist. Es existiern einige Methoden, die die Prädiktion auf ganze Bereiche
ausdehnen, jedoch besteht hier immer die Gefahr einer zu konservativen Abschätzung – also dass ein zu
großer Aufenthaltsbereich prädiziert wird.
Für medizintechnische Anwendungen, um genau zu sein zur Vorhersage der Blutglukosekonzentration für
Diabetiker wurden in der Vergangenheit sogenannte Intervallmodelle angewandt. Diese liefern basierend
auf vorhandenen Daten einen prädizierten Bereich für zukünftige Werte.