Forschungsspitzen und Spitzenforschung: Innovationen an der Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg Festschrift für Wulf Fischer

Forschungsspitzen und Spitzenforschung Prof. Dr. Wulf Fischer Gründungsrektor der Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg (199...

Author: Christoph Zacharias | Klaus W. ter Horst | Kurt-Ulrich Witt | Volker Sommer | Marc Ant | Ulrich Essmann | Laurenz Mülheims

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Forschungsspitzen und Spitzenforschung

Prof. Dr. Wulf Fischer Gründungsrektor der Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg (1999–2008)

Christoph Zacharias · Klaus W. ter Horst Kurt-Ulrich Witt · Volker Sommer Marc Ant · Ulrich Essmann Laurenz Mülheims Herausgeber

Forschungsspitzen und Spitzenforschung Innovationen an der Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg Festschrift für Wulf Fischer

Physica-Verlag Ein Unternehmen von Springer

Prof. Dr. Christoph Zacharias Prof. Klaus W. ter Horst Prof. Dr. Kurt-Ulrich Witt Prof. Dr. Volker Sommer Prof. Dr. Marc Ant Prof. Dr. Ulrich Essmann Prof. Dr. Laurenz Mülheims Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg 53754 Sankt Augustin [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] Redaktion: Ha-Na Choi

ISBN 978-3-7908-2126-0

e-ISBN 978-3-7908-2127-7

DOI 10.1007/978-3-7908-2127-7 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. c 2009 Physica-Verlag Heidelberg Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Herstellung: le-tex publishing services oHG, Leipzig Umschlaggestaltung: WMXDesign GmbH, Heidelberg Fotos (Titel): Eric A. Lichtenscheidt Gedruckt auf säurefreiem Papier 987654321 springer.de

Geleitwort von Prof. Dr. Andreas Pinkwart

Nichts ist heute wichtiger für eine Region, als ihr Wissenspotenzial und die Kreativität ihrer Bürgerinnen und Bürger für die Zukunftsgestaltung zu nutzen. Denn Innovationen sind der einzige Garant für Wachstum und Beschäftigung. Die Köln-Bonner Region zählt dabei zu den chancenreichsten Standorten in Europa. Und dazu tragen bei weitem nicht nur die Traditionsuniversitäten und alteingesessenen Forschungseinrichtungen bei. Das sieht man sehr gut in der Region Bonn-Rhein-Sieg. Sie hat nach dem Berlin-Umzug von Parlament und Teilen der Bundesregierung bewiesen, wie gut sie Veränderungsdruck umwandeln kann in die positive Dynamik von Fortschritt und Erneuerung. Die Finanzhilfen, die die Region zum Ausgleich erhielt, hat sie erfolgreich genutzt, um sich als Wissenschaftsregion zu profilieren – etwa durch bedeutende Neuansiedlungen wie die Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg. Heute hat die Bonner Region mehr Arbeitsplätze als vor dem Umzug. Und deutschlandweite Rankings bestätigen ihr einen Spitzenplatz bei der Gründungsdynamik. Die FH Bonn-Rhein-Sieg trägt zu diesem positiven Saldo der Wissensregion sehr engagiert bei. Dass sie mittlerweile ein echter Schrittmacher für Fortschritt in der Region ist, ein Anziehungspunkt für Studierende aus aller Welt, dass sie sich in ihrem Umfeld als FuE-Partner der Wirtschaft sehr schnell einen Namen gemacht hat, dass sie selbstbewusst auf ihre moderne Fachbereichsstruktur und ihre anwendungsorientierte Forschung verweisen kann – all dies verdankt sie zu einem Gutteil ihrem Gründungsrektor, Prof. Dr. Wulf Fischer. 1995 startete die FH ihren Lehrbetrieb in Sankt Augustin und Rheinbach mit jeweils einem Studiengang Wirtschaft und rund 60 Studierenden. Heute gibt es an den mittlerweile drei Standorten Sankt Augustin, Rheinbach und Hennef sechs Fachbereiche, 17 Studiengänge und rund 4.500 Studierende. Der Auftrag der FH lautete von Anfang an: den Strukturwandel in der Region zu fördern, neue Ausbildungsmöglichkeiten zu schaffen und einen Beitrag zur strukturellen Entwicklung des Wirtschaftsraumes zu leisten. Ein anspruchsvolles Programm, dem sich die FH unter ihrem Gründungsrektor in beispielgebender Weise gewachsen zeigte. Dafür kann man viele Punkte ins Feld führen, ein paar möchte ich besonders hervorheben: Sehr wichtig erscheint mir, dass die FH ein überzeugendes individuelles Profil als „unternehmerische Hochschule“ entwickelt hat. Mit großem Erfolg

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fördert sie die Existenzgründung ihrer Absolventen und Wissenschaftler. Seit Ende der 90er Jahre sind aus der FH zahlreiche Firmen entstanden; viele dieser Gründungen hat die Hochschule unterstützt und begleitet. Um in puncto unternehmerischer Geist nichts dem Zufall zu überlassen, sondern eine echte Kultur der Selbständigkeit zu etablieren, hat die FH das zentrale Institut für Existenzgründung und Mittelstandsförderung (IfEM) gegründet. Dieses Institut übernimmt die Querschnittsaufgabe, den Studierenden aller Fachbereiche unternehmerisches Denken und Handeln als Kernkompetenz zu vermitteln. 15 Prozent der Studierenden – so die Perspektive – sollen an den Lehrveranstaltungen teilnehmen. Hinzu kommt, dass die FH sowohl in Sankt Augustin wie in Rheinbach auf ihrem Gelände den BusinessCampus Rhein-Sieg beheimatet; das ist das Zentrum für Gründung, Ansiedlung und Wachstum junger Unternehmen im Rhein-Sieg-Kreis und in der Wissenschaftsregion Bonn Angesichts dieses klaren Credos für unternehmerisches Engagement verwundert es nicht, dass die FH Bonn-Rhein-Sieg zu den 23 Hochschulen gehört, die im Dezember 2007 die Innovationsallianz NRW gegründet haben, um ihren Wissenstransfer zu professionalisieren. Sie ist damit Teil des deutschlandweit bisher größten Tansferbündnisses von Hochschulen. Wissenstransfer kann allerdings nur gedeihen, wenn die Substanz von Lehre und Forschung überzeugt. Rektor Fischer und seinen Mitstreiterinnen und Mitstreitern in der FH ist es zu verdanken, dass die FH Bonn-Rhein-Sieg auch in dieser Hinsicht heute sehr gut dasteht. Wie gut, das zeigt dieser Band zu Ehren des ausscheidenden Rektors. Wer sich schnell entwickelt hat, wie die FH Bonn-Rhein-Sieg, dem würde man verzeihen, wenn er nach einer Phase großer Dynamik und starken Wachstums erst einmal durchatmen wollte. Umso mehr zeichnet es die FH allerdings aus, dass sie das nicht tut. Ein guter Beweis dafür ist das Institut für interdisziplinäre Studien (IfIS). Gegründet 2003 auf Initiative des Rektorats sowie der Fachbereiche Informatik und Wirtschaft, entwickelt das Institut interdisziplinäre Studiengänge und Angebote des weiterbildenden Studiums. Das sorgt für eine gute Perspektive in der Lehre. Auch was die Forschung betrifft, will die FH sich nicht auf dem Erreichten ausruhen, sondern ihr Profil weiter schärfen, bestehende Forschungsschwerpunkte aus- und neue aufbauen – und dies auf Zukunftsfeldern wie Visual Computing oder Nachhaltige Unternehmensentwicklung. Was die FH heute schon in allen Fachbereichen in der angewandten Forschung auf den Platz bringt, von „Litho-JetBohrverfahren“ bis „Sozialversicherungswissenschaft“, von „Kommunikation im Katastrophenschutz“ bis zu modernen Methoden der Materialwissenschaft – das stellt dieser Band vor. Die Hochschule verabschiedet sich mit dieser Publikation über ihre „Forschungsspitzen“ von ihrem Gründungsrektor. Der Band zeigt, was möglich ist in dieser ambitionierten jungen Hochschule. Was könnte ein schöneres Ab-


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schiedsgeschenk für denjenigen sein, unter dessen Leitung die Hochschule in den Aufbaujahren ihr Profil entwickelt und ihren Kurs bestimmt hat. Prof. Fischer war bereits ein erfahrener „Hochschulhase“, als er 1999 nach Sankt Augustin kam. Über 15 Jahre an der FH Hagen, in denen der Physiker zeitweilig Dekan des Fachbereichs Physikalische Technik und Prorektor für Forschungsangelegenheiten war, lagen da bereits hinter ihm, auch einige Jahre als Gründungsrektor der Märkischen FH Iserlohn, als Präsident der FH Rheinland-Pfalz und nach deren Umwandlung als Gründungspräsident der FH Mainz. Die Hochschule, die Region und das Innovationsland Nordrhein-Westfalen haben von Professor Fischers Erfahrung, seinem Engagement und seiner Kompetenz sehr profitiert. Dafür möchte ich ihm persönlich und im Namen der Landesregierung ganz herzlich danken. Im Juli 2008

Prof. Dr. Andreas Pinkwart Minister für Innovation, Wissenschaft, Forschung und Technologie des Landes Nordrhein-Westfalen

Geleitwort von Frithjof Kühn

Die Verabschiedung des geschätzten Gründungsrektors der Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg in den Ruhestand fällt mir als Landrat des Rhein-SiegKreises, aber auch persönlich, nach neun Jahren enger, guter und vertrauensvoller Zusammenarbeit nicht leicht. Insgesamt neun Jahre hat Herr Professor Fischer sehr erfolgreich die Geschicke der FH gelenkt. Leider ist der Abschied nun unvermeidlich und Herr Professor Fischer wird dieses Recht auf eine verdientermaßen „ruhigere“ Lebensphase auch wahrnehmen wollen. Und das soll er auch! Ich möchte Herrn Professor Fischer natürlich nicht in den Ruhestand ziehen lassen, ohne seine Verdienste angemessen zu würdigen. 1999 hat er die Aufgabe des Gründungsrektors, der damals noch jungen und im Aufbau befindlichen FH Bonn-Rhein-Sieg übernommen, deren Gründung erst durch den Bonn-Berlin-Ausgleich möglich wurde. Neben den typischen Aufgaben in Forschung und Lehre hatte diese Hochschule auch den besonderen Auftrag, ein Motor für die Strukturentwicklung im Rhein-SiegKreis zu sein. Durch qualifizierte Absolventen sollte sie helfen, den hiesigen Unternehmen dringend benötigte Arbeitskräfte zur Verfügung zu stellen. Sie sollte durch Wissenstransfer und Kooperationen in Forschung und Entwicklung Innovationspotentiale erschließen und sie sollte durch Ausgründungen helfen, unsere Wirtschaftsstruktur durch junge, innovative Unternehmen zu bereichern. Vor diesem Hintergrund hatte und hat der Rhein-Sieg-Kreis ein vitales Interesse am Erfolg dieser Hochschule und an einer engen Zusammenarbeit. Herr Professor Fischer hat die FH in einer sehr strategisch ausgerichteten Weise geführt und mit Erfolg immer wieder entscheidende Weichenstellungen für ihren Aufbau und ihre systematische Weiterentwicklung vorgenommen. So hat er bei der Hochschulentwicklung im Rahmen des Vier-Säulenmodells aus Wirtschaft, Informatik, Natur- und Ingenieurwissenschaften stets alle Chancen für eine qualitative und quantitative Wachstumsorientierung genutzt, um Risiken, die sich aus kritischen Mindestgrößen ergeben können, für die Hochschule zu vermeiden. Der nicht immer einfachen Situation der Aufteilung dieser Hochschule ist er mit einer erfolgreichen Schärfung unterschiedlicher Profile der drei Standorte Sankt Augustin, Rheinbach und Hennef begegnet.

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Bedingt durch den Bologna-Prozess sind inzwischen die bisherigen Diplomabschlüsse durch die internationalen Abschlüsse Bachelor und Master abgelöst worden. Hier war die FH Bonn-Rhein-Sieg Vorreiter und erlangte als erste Hochschule in Nordrhein-Westfalen die für den international anerkannten Bachelor- und Masterstudiengang notwendige Akkreditierung. Inzwischen sind bereits fünf Masterstudiengänge eingerichtet worden. Stets ist auch der Ausbau des Bereichs der kooperativen Ausbildung von Herrn Professor Fischer unterstützt worden. Es war ihm wichtig, die Lehrangebote der Hochschule zukunftsorientiert und am Bedarf der Unternehmen in der Region zu auszurichten. Dank seiner Unterstützung wurde etwa der kooperative Studiengang Maschinenbau / Mechatronik in Zusammenarbeit mit der IHK Bonn / Rhein-Sieg gemeinsam mit einer Gruppe mittelständischen Unternehmen aus der Region auf den Weg gebracht. Der Bereich der Informatik wurde gemeinsam mit der Fraunhofer Gesellschaft ausgebaut und der neue Masterstudiengang Autonome Systeme auf die besonderen Bedürfnisse der hiesigen Unternehmen ausgerichtet. Auch der in Zusammenarbeit mit der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung in Hennef durchgeführte Studiengang Sozialversicherung fügt sich hervorragend in diese Linie ein. In Zeiten knapper öffentlicher Mittel ist es ein zukunftsweisender Ansatz, zusätzliche Lehrangebote durch externe Finanzierungsanteile zu ermöglichen. Bei einem so großen Engagement und einer zukunftsorientierten Weiterentwicklung der Lehrangebote ist es kein Zufall, dass die FH Bonn-Rhein-Sieg auch bei Hochschulrankings hervorragend abschneidet und ebenso bei der Einwerbung von Drittmitteln in Nordrhein-Westfalen weit vorne liegt. Die unter dem Rektorat von Professor Fischer getroffenen Strukturentscheidungen und die anhaltende Verpflichtung der Hochschule auf ihren besonderen Gründungsauftrag, ein Motor der regionalen Strukturentwicklung zu sein, haben den Rhein-Sieg-Kreis immer motiviert, die enge Zusammenarbeit noch weiter zu vertiefen und auszubauen. Diese Kooperation verfolgt eine gemeinsame Strategie und baut auf die zunehmende Vernetzung unserer wirtschaftsorientierten Aktivitäten. Als einer der ersten Schritte unserer Zusammenarbeit wurde die Hochschulbibliothek mit der Kreisbibliothek vereinigt. Kreis und Hochschule haben im Jahr 2003 einen Kooperationsvertrag abgeschlossen und sich zur engen Zusammenarbeit im Bereich Gründungsförderung verpflichtet. Beide organisieren seither die SUPRA-Frühstückskonferenzen für Gründer, Unternehmer, Finanzfachleute und Berater. Die Kreiswirtschaftsförderung organisiert für die Wissenschaftsregion Bonn-Rhein-Sieg professionelle Auftritte auf wichtigen internationalen Messen – ein Angebot, das von der FH und ihren Ausgründungen seit Jahren genutzt wird, um Zugang zu den internationalen Märkten zu finden. Die von Herrn Professor Fischer betriebene Profilierung der FH als eine unternehmensorientierte Bildungseinrichtung manifestiert sich auch in der


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Durchführung wirtschaftsbezogener Veranstaltungen. So hat sich beispielsweise der jährliche Unternehmenstag der FH inzwischen als die Hochschulmesse der Region etabliert. In diesen bewährten Partnerverbund ist vor vier Jahren auch die Kreissparkasse Köln eingetreten. Hochschule, Kreis und Kreissparkasse haben sich mit Ihrer Unterstützung auch auf institutioneller Ebene zusammengeschlossen und eine gemeinsame GmbH für den Betrieb des BusinessCampus in Sankt Augustin und in Rheinbach gegründet. Die drei Partner bilden über ihre Vertreter auch eine gemeinsame Geschäftsführung des BusinessCampus GmbH, die das Ziel verfolgt, Gründern und jungen Unternehmen optimale Beratung, Ansiedlungs- und Entwicklungschancen unter dem Dach der FH zu bieten. Mit jährlich über 80 Veranstaltungen der Gründungsakademie Rhein-Sieg unter dem Dach der FH führen diese Partner in den Räumen des BusinessCampus ein umfangreiches und erfolgreiches Veranstaltungsprogramm durch. All diese Beispiele veranschaulichen, wie sehr die FH unter dem Rektorat von Professor Fischer zu einer tragenden Säule der Entwicklungspolitik für eine moderne Wirtschaftsstruktur im Rhein-Sieg-Kreis geworden ist. Zu einem zentralen Standortfaktor für Unternehmen hat sich auch die Verfügbarkeit gut ausgebildeter Fachleute entwickelt. Durch die anwendungsorientierte Lehre und den Wissens- und Technologietransfer ist die FH ein Motor der Innovation für die hiesige Wirtschaft. Sie unterstützt damit die Erhaltung und Modernisierung der industriellen Struktur des Kreises. Das erfolgreich umgesetzte Konzept einer gut funktionierenden Zusammenarbeit von Wissenschaft und Wirtschaft, von Kreis und FH sind herausragende und bleibende Verdienste der engagierten Arbeit von Herrn Professor Fischer als Rektor dieser Hochschule. Daneben ist es Herrn Professor Fischer immer ein wichtiges Anliegen gewesen, auch die interdisziplinären und sozialen Initiativen im Hochschulleben zu unterstützen. Aktivitäten wie das FH-Radio, die Campus Band, der Chor oder die Theatergruppe waren ihm eine Herzensangelegenheit. Als Landrat des Rhein-Sieg-Kreises möchte ich Herrn Professor Fischer anlässlich seiner Verabschiedung in den Ruhestand herzlich für sein Engagement danken! Er kann heute mit Stolz auf seine Arbeit und die Entwicklung der FH Bonn-Rhein-Sieg zurückblicken. Der herausragende Einsatz von Professor Fischer hat sich auf die Entwicklung der gesamten Region positiv ausgewirkt. Persönlich danke ich Herrn Professor Fischer für die enge und gute Zusammenarbeit, in allen uns gemeinsam betreffenden Fragen, die stets von einer vertrauensvollen und sachlichen Atmosphäre begleitet war. Ein japanisches Sprichwort sagt: „Es gibt ein Bleiben im Gehen, ein Gewinnen im Verlieren, im Ende einen Neuanfang.“ In diesem Sinne wünsche ich Herrn Professor Fischer, dass das Ende der Tätigkeit an der FH Bonn-Rhein-

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Sieg, für den Anfang eines spannenden, neuen Lebensabschnitts steht. Alles Gute für die Zukunft! Im Juli 2008

Frithjof Kühn Landrat des Rhein-Sieg-Kreises

Geleitwort von Bärbel Dieckmann

Die Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg wächst und wächst, links- und rechtsrheinisch. Sie ist mit Betrieben und Institutionen in der Region bestens vernetzt und schon jetzt ein leistungsfähiger Motor für unseren regionalen Arbeitsmarkt. So liefert die FH Bonn-Rhein-Sieg der regionalen Wirtschaft hoch qualifizierte Arbeitskräfte und wichtiges Innovationspotential. Sie steht – um es in den Worten von Professor Wulf Fischer zu sagen – für den Wandel von einer regierungsorientierten Region in eine wirtschaftsorientierte Region. Zwei Namen hängen untrennbar zusammen mit der dynamischen und erfolgreichen Entwicklung der FH Bonn-Rhein-Sieg. Als Planungsbeauftragter und erster Gründungsrektor hat sich Professor Hubertus Severin mit seinem Pioniergeist und Ideenreichtum große und bleibende Verdienste erworben. Professor Wulf Fischer hat als sein Nachfolger als Gründungsrektor das Profil der FH geschärft und der weiteren Entwicklung die wesentlichen Impulse verliehen. Wulf Fischer verkörpert dabei auf bemerkenswerte Weise die Verschmelzung von Wirklichkeits- und Möglichkeitssinn. Er ist Pragmatiker mit dem Blick fürs Wesentliche; er weiß um die Bedeutung des Details fürs Ganze, aber er verzettelt sich nicht in Einzelheiten. Sein Blick bleibt nicht an Kirchtürmen hängen, sondern hat einen großen Radius. Er ist Netzwerker wie viele und Brückenbauer wie wenige. Er ist verbindlich, doch nie in jenem rheinischen Sinne, niemandem wehtun zu wollen, sondern im preußischen, verlässlich zu sein und einer Sache auf den Grund zu gehen. Er ruht in sich und kann auf Menschen zugehen. Er kann nachgeben, ohne sich selber dabei etwas zu vergeben. All diese Eigenschaften und Energien flossen in die Gründung und dann vor allem in die Weiterentwicklung der FH ein. Wulf Fischer hatte vom Anfang an den Gesamtzusammenhang der Forschungsregion im Blick; 2000 setzte er mit der Namenserweiterung – von der FH Rhein-Sieg zur FH Bonn-Rhein-Sieg – ein klares Signal. Die FH hat dieses Signal von innen wie nach außen bewusst umgesetzt. Professor Fischer war immer Stichwortgeber und dann auch Motor für gemeinsame Plattformen der Wissenschaftsregion; sein Verdienst um die Wissenschaftsnacht als einem gemeinsamen Auftritt der in der Region versammelten Wissenschaftseinrichtungen ist nicht hoch genug einzuschätzen. Von innen heraus ist die FH über die Jahre eine Fülle von Kooperationen eingegangen, die den interdis-

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Geleitwort von Bärbel Dieckmann

ziplinären und damit natürlich auch innovativen Charakter von Lehre und Forschung entscheidend mitgeprägt haben. Es ist der Erfahrung und der Souveränität von Wulf Fischer zuzuschreiben, dass die FH Bonn-Rhein-Sieg von vornherein konsequent auf den Berufsfeldbezug gesetzt hat. Der mancherorts zu beobachtenden und dann auch zu beklagenden Versuchung, sich auf eine Kräfte raubende, doch am Ende fruchtlose Rivalität mit der Grundlagenforschung an der Universität oder an spezialisierten Forschungseinrichtungen einzulassen, hat man in St. Augustin klug widerstanden. Stattdessen hat man herkömmliche Curricula via Kooperationen zu interessanten und für den Markt attraktiven Spezialkompetenzen weiterentwickelt; einige dieser Studiengänge genießen inzwischen vordere und vorderste Plätze in betreffenden Rankings. Professor Wulf Fischer scheidet zum Jahresende 2008 aus dem Amt; andere führen seine Arbeit fort. Solche Übergänge haben immer etwas Herausforderndes. Doch „der kluge Mann baut vor“, sagt das Dichterwort – das gilt natürlich in besonderem Maße für die Zeit, in der jemand das von ihm initiierte und geprägte Geschehen nicht mehr unmittelbar bestimmen und gestalten kann. Wir können Wulf Fischer einen glücklichen Ruhestand wünschen, weil wir alle wissen, dass er sein Haus wohl bestellt verlässt und dafür Sorge getragen hat, dass die FH Bonn-Rhein-Sieg uns allen weiterhin ein überaus verlässlicher Partner ist. Für die großartige Arbeit, die Professor Wulf Fischer geleistet und mit der er unsere gemeinsame Sache, die Stärkung der Wissenschafts- und Wirtschaftsregion Bonn-Rhein-Sieg / Ahrweiler, vorangetrieben hat, sind wir ihm von Herzen dankbar. Im Juli 2008

Bärbel Dieckmann Oberbürgermeisterin der Stadt Bonn

Geleitwort von Prof. Dr. med. Rupert Gerzer

Im letzten Jahr habe ich abends einige Male Herrn Fischer mit dem Auto von der Fachhochschule am Standort Sankt Augustin in die Südstadt Bonns mitgenommen. Es regnete oder war nach einer längeren Sitzung zu spät fürs Radfahren. So konnte ich ihn, nachdem ich ja erst vor einem Jahr mit ihm in Kontakt gekommen war, auch persönlich etwas näher kennenlernen. Jedes Mal war die Fahrt viel zu kurz – versteht es Herr Fischer doch, in seiner bescheidenen Art seinen Gesprächspartner Schritt für Schritt so in seinen Bann zu ziehen, dass man einfach gespannt ist, wie es weitergeht. Und das Hauptthema war auch tatsächlich, wie es mit der – bzw. man meint eher, mit seiner – FH weitergeht. Ein wenig hat er mir auch über sein Vorleben beim Aufbau der FH Rheinland-Pfalz verraten, aber eigentlich nur als Einleitung zum Hautthema: Die Zukunft der FH Bonn-Rhein-Sieg. Für mich wichtige Lektionen eines sehr erfolgreichen Machers – der aber gar nicht als Macher auftritt. Dabei geht es um das Hauptziel: Wie schafft es die FH, so zu wachsen und weiter zu gedeihen, dass die Absolventinnen und Absolventen optimal auf das spätere Berufsleben vorbereitet sind und erfolgreiche Berufslaufbahnen einschlagen. Schlagworte dafür sind allen voran Vernetzung mit der Industrie, Unterstützung der Gründung von Firmen aus der FH heraus, attraktive und interdisziplinäre Studienplatzangebote, Familiengerechtigkeit, regionale Zusammenarbeit, Internationalität und Zusammenarbeit mit strategisch wichtigen internationalen Partneruniversitäten. Man kann schon zusammenfassen: Glücklich die Hochschule, die einen Gründungsdirektor wie Herrn Fischer hat. Ich selber hätte einen Wunsch: Hoffentlich gelingt es, Herrn Fischer weiterhin – z.B. als „Botschafter“ insbesondere im Bereich der internationalen Zusammenarbeit – in die Hochschule einzubinden. Zunächst bedanke ich mich sehr bei ihm für die geleistete Arbeit, wünsche ihm das Beste – natürlich auch im Sinne der Hochschule mit weiterer Zusammenarbeit – und der Hochschule, dass die Fortune der Hochschule so treu bleibt wie unter seiner Führung. Juli 2008

Prof. Dr. med. Rupert Gerzer Vorsitzender des Hochschulrats

Inhaltsverzeichnis

Geleitwort von Prof. Dr. Andreas Pinkwart................................. V Geleitwort von Frithjof Kühn ...................................................... IX Geleitwort von Bärbel Dieckmann ............................................ XIII Geleitwort von Prof. Dr. med. Rupert Gerzer ............................. XV

Teil 1: Fachbereich Wirtschaftswissenschaften Sankt Augustin Das Litho-Jet-Bohrverfahren .......................................................... 5 Franz W. Peren Ökonomie der digitalen Wirtschaft..............................................17 Reiner Clement IT-Offshoring: Entscheidungsprozess.......................................... 27 Andreas Gadatsch Forschungsprojekt Web 2.0.......................................................... 37 Jens Böcker und Britta Classen

Teil 2: Fachbereich Informatik Entwicklung eines elektronischen Mutterpasses ....................... 51 G. Noelle, R. Herpers, D. Hellmuth und R. Christ-Köhler FIVIS – Bicycle Simulator in the Immersive Visualisation Environment “Immersion Square”............................................... 61 R. Herpers, W. Heiden, M. Kutz, D. Scherfgen, U. Hartmann, J. Bongartz, and O. Schulzyk

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Inhaltsverzeichnis

Visual Computing an der FH Bonn-Rhein-Sieg ...........................69 Wolfgang Heiden, Rainer Herpers und André Hinkenjann Zuverlässige Ad-Hoc-Kommunikation mobiler Endgeräte mit satellitengestützter Internet-Anbindung im Katastrophenschutz...................................................................... 77 K. Jonas, N. Jung, M. Cremer, S. Diob, T. Islam, Y. Slimi und M. Wessel Educational Robotics: On the Role of Robotics in Learning and Education ...............................................................................83 Gerhard K. Kraetzschmar Referenzmodell für den Entwurf hochakzeptabler technischer Anwendungen .......................................................... 91 Karl W. Neunast Performance Optimizations in Embedded System Design ....... 101 Paul G. Plöger Zero-Day und Less-than-Zero-Day Vulnerabilities und Exploits ......................................................................................... 113 Hartmut Pohl Autonomous Design of Experiments for Learning by Experimentation ..........................................................................125 Erwin Prassler, Björn Kahl, Timo Henne, Alex Juarez, and Monica Reggianni Hand and Finger Protection for Circular Saws.............................137 Dietmar Reinert, Norbert Jung, and Oliver Schwaneberg

Inhaltsverzeichnis

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Teil 3: Fachbereich Elektrotechnik, Maschinenbau, Technikjournalismus Mathematische Modellbildung und numerische Methoden zur Strömungs-, Transport- und Reaktionssimulation in Netzwerken.................................................................................. 151 Gerd Steinebach Podcasts – Wesen und Funktion einer konvergenten Medienform ................................................................................ 165 Andreas Schümchen und Thorsten Sellheim A New Generation of Highly Efficient Light Sources ................175 Robert Scholl

Teil 4: Fachbereich Wirtschaft Rheinbach Zur Wettbewerbssituation kleiner und mittelständischer Unternehmen in der BRD – Implikationen für das strategische Controlling ............................................................. 195 Klaus Deimel Cluster in der Gesundheitswirtschaft und deren Vernetzung.................................................................................. 207 Bernd Ebel Managementkonzepte und Managementmoden .....................219 Dietmar Fink und Bianka Knoblach Evaluation als Treiber nachhaltiger Effizienzsteigerung im regionalen Beschäftigungsnetzwerk .........................................231 Oded Löwenbein und Karsten Heinrich Neue Ansätze zur Abbildung von Ausfallrisiken in der externen Rechnungslegung von Banken ...................................241 Stephanie Mehl, Wilhelm Schneider und Tobias Amely

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Inhaltsverzeichnis

Der Wasser-Sektor in Sub-Sahara Afrika und die Bedeutung der Weltbank........................................................... 253 Wiltrud Terlau Der Sozialkonstruktivismus als epistemologische Grundposition in der angewandten Management- und Organisationsforschung ............................................................. 263 Marc Ant

Teil 5: Fachbereich Angewandte Naturwissenschaften Rheinbach A Security Assistance System Combining Person Tracking with Chemical Attributes and Video Event Analysis................ 277 C. Becher, G.L. Foresti, P. Kaul, W. Koch, F.P. Lorenz, D. Lubczyk, C. Micheloni, C. Piciarelli, K. Safenreiter, C. Siering, M. Varela, S.R. Waldvogel, and M. Wieneke Chemical Structures of Thermal Stable Long-Chain n-Alkyl Amines Used in Corrosion Inhibiting Formulations in Water-Steam and Heating Water Systems in the Power Industry ....................................................................................... 297 Gerd Knupp, Peter Kusch, Marian Kozupa, and Maria Majchrzak Identification of Polymeric Residues in Recycled Aluminium by Analytical Pyrolysis-Gas ChromatographyMass Spectrometry ..................................................................... 307 Peter Kusch, Wolfgang Fink, Dorothee Schroeder-Obst, and Volker Obst Quasi Static Indentation Measurements: A Tool for Micromechanical Investigations of Interfaces in Polymer Materials.......................................................................................315 Bernhard Möginger, Volker Herrmann, and Claus Unseld Adult Human Mesenchymal Stem Cells as Source for Future Tissue Engineering.......................................................... 329 Edda Tobiasch

Inhaltsverzeichnis

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Antiphospholipid Syndrome Patients Display Reduced Titers of Soluble CD21 in Their Sera Irrespective of Circulating Anti-β2-Glycoprotein-I Autoantibodies.................. 339 Anjana Singh, Miri Blank, Yehuda Shoenfeld, and Harald Illges

Teil 6: Fachbereich Sozialversicherung Herzfrequenzvariabilität als Indikator mentaler Anspannung................................................................................ 353 Johannes Mockenhaupt Die Sozialversicherungswissenschaft als Integrationswissenschaft ........................................................... 365 Laurenz Mülheims, Karin Hummel, Christian Rexrodt, Susanne Peters-Lange und Johannes Mockenhaupt

Teil 7: Institut für Existenzgründung und Mittelstandsförderung (IfEM) Der Erfolg interdisziplinärer Gründungslehre am Beispiel der FH Bonn-Rhein-Sieg .............................................................389 Christoph Zacharias, Ha-Na Choi und Sarah Luna Weaver Mobile Business ..........................................................................405 Christoph Wamser Über die Autoren ........................................................................ 419

Teil 1: Fachbereich Wirtschaftswissenschaften Sankt Augustin

Der 1995 mit der Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg gegründete Fachbereich Wirtschaftswissenschaften hat sich von Beginn an dem Primat der Lehre verschrieben. Auch nach 13 Jahren erfolgreicher Arbeit steht das Kollegium entschlossen hinter dem Ziel, die Studierenden gründlich auszubilden und in ihrem Lern- und Reifungsprozess zu unterstützen. Die Fachhochschulen erfüllen den wichtigsten Teil ihrer Transferaufgabe mit gut ausgebildeten Absolventinnen und Absolventen. Sie sind hierzu nicht nur wegen ihrer seit 1971 anhaltenden Tradition, sondern auch durch ihre personellen, organisatorischen und sachlichen Voraussetzungen hervorragend geeignet. Es wäre unklug, einem maßgeblichen Erfolgsfaktor – aus Unachtsamkeit oder durch bewusste Neugewichtung der Aufgaben – die Wirkung zu nehmen. Gleichwohl widmet sich auch der Fachbereich Wirtschaftswissenschaften in Sankt Augustin mit Fleiß und Fortune der Forschung, der Entwicklung und dem Technologietransfer. Die in dieser Festschrift dokumentierten Beispiele zeigen einen kleinen, feinen Ausschnitt aus der Breite der Aktivitäten. Warum sind uns Forschung, Entwicklung und Technologietransfer neben der Lehre wichtig? Erstens: Zu den Einstellungsvoraussetzungen der Professorinnen und Professoren an Fachhochschulen gehört neben der wissenschaftlichen Qualifikation und der pädagogischen Eignung eine mindestens fünfjährige berufliche Tätigkeit nach Abschluss des Hochschulstudiums. Die meisten halten auch nach ihrer Berufung engen Kontakt zur beruflichen Praxis. Sie kennen die aktuellen, aber auch sich für die Zukunft abzeichnenden Problemstellungen der Unternehmen und verfügen über theoriebasierte Methoden, um die Probleme unter realen Randbedingungen zu lösen. Sie sind also in besonderer Weise befähigt, wissenschaftliche Erkenntnisse nicht nur zu entwickeln, sondern auch nutzbar zu machen. Zweitens: Gute Hochschullehre gründet neben kluger Didaktik und pädagogischem Engagement darin, dass die Lehrenden ihr Fach sicher beherrschen und ihre Aussagen wissenschaftlich begründen. Manche fachlich gebotene Differenzierung muss zwar didaktisch zweckmäßiger Reduktion zum Opfer fallen. Damit sich aber bei den Studierenden nicht vereinfachende, vordergründige oder unbegründete Erklärungsmuster einstellen und verfestigen, sollten sie von Anfang an am Prozess der Erkenntnisgewinnung teilhaben und schrittweise an wissenschaftliches Denken gewöhnt werden. Erleben die Studierenden, • dass die wissenschaftliche Methodik Denkstrukturen erzeugt, mit denen das Detailwissen eingeordnet, verknüpft und besser behalten werden kann, und • dass die wissenschaftliche Methodik innovative und langfristig tragfähige Lösungen für praktische Probleme hervorbringt,

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Teil 1: Fachbereich Wirtschaftswissenschaften Sankt Augustin

dann sind sie auch für anstrengende Analysen und abstrakte Kategorien zu motivieren. Mit anwendungsbezogener Forschung und Entwicklung bewahren die Hochschullehrerinnen und Hochschullehrer ihre Fähigkeit, Anschaulichkeit, Praxisbezug und Wissenschaftlichkeit „unter einen Hut“ zu bringen und die Lehrinhalte an aktuelle Entwicklungen der beruflichen Praxis und der Wissenschaft anzupassen. Prägender Faktor in Lehre, Studium und Forschung an Fachhochschulen ist die wechselseitige Durchdringung von Theorie und Praxis. Zum einen werden wissenschaftliche Erkenntnisse und Methoden überwiegend unter dem Gesichtspunkt des Anwendungsbezugs ausgewählt und genutzt, zum anderen sind vorwiegend solche betriebspraktischen Probleme Gegenstand der Hochschularbeit, deren Bewältigung wissenschaftlicher Methodik, Systematik und Begründung bedarf. Lehre, Studium und Forschung beschränken sich nicht auf die Einübung und Pflege gesicherten Fachwissens im Sinne eines „aus der Praxis für die Praxis“. Sie dienen vielmehr dem Erwerb und der Weiterentwicklung fachübergreifender Handlungskompetenz, verstanden als Fähigkeit, praktische Probleme zu erkennen, zu analysieren und zielorientiert zu lösen. Theorien und wissenschaftliche Methoden helfen dem Praktiker, die Komplexität der Realität zu ordnen, zukünftige Entwicklungen rechtzeitig zu erkennen und eine Basis für wirksames Handeln in Situationen zu finden, die ihm in dieser Form erstmals begegnen. Mephisto weckt mit Absicht Zweifel: „Wer kann was Dummes, wer was Kluges denken, das nicht die Vorwelt schon gedacht?" (Faust II, Vers 6809 f.) Es ist an uns, den Zweifel zu widerlegen, indem wir altes Dummes vermeiden und neues Kluges ermöglichen. Nach Feierabend mögen wir getrost der Verführung des Mephisto erliegen: „Grau, teurer Freund, ist alle Theorie, und grün des Lebens goldner Baum." (Faust I, Vers 2038 f.) Am Ende aber erkennen wir doch: „Das schönste Glück des denkenden Menschen ist, das Erforschliche erforscht zu haben und das Unerforschliche ruhig zu verehren“ (Johann Wolfgang von Goethe gemäß Max Hecker, Hrsg.,: Goethe, Maximen und Reflexionen, Bd. 21 der Schriften der Goethe-Gesellschaft, Weimar 1906, Textstelle 1207). Prof. Klaus W. ter Horst, Dekan des Fachbereichs

Das Litho-Jet-Bohrverfahren Eine notwendige Bedingung für die ökonomische Machbarkeit geothermischer Energiesysteme Franz W. Peren Fachbereich Wirtschaftswissenschaften Sankt Augustin

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Einleitung1

Mit zunehmender Knappheit fossiler Brennstoffe und sich zeitigender Akzeptanzprobleme nuklearer Energie gewinnen regenerative Energieträger an wachsender Bedeutung. Unter diesen nimmt die Erdwärme eine besondere Stellung ein, da sie – im Gegensatz zu anderen regenerativen Energien – global, kontinuierlich und auch längerfristig mit großen Potenzialen verfügbar ist. Eine ausreichende und effiziente Nutzung der Erdwärme könnte wahrscheinlich in hohem Maße dazu beitragen, die aktuellen und anstehenden ökonomischen sowie ökologischen Probleme der Menschheit zu mindern oder gar partiell zu lösen. Hierzu müßte jedoch in entsprechendem Umfang und ökonomisch machbar die kontinentale Erdkruste als praktisch unerschöpfliche Energiequelle sinnvoll genutzt werden. Aus den Erkenntnissen kontinentaler Tiefbohrungen wissen wir, dass unsere Kontinentalkruste im mittleren Drittel (10 – 30 km) aus einem praktisch unerschöpflichen Prozessdampfspeicher besteht, der es theoretisch allen Ländern dieser Erde erlaubt, aus eigenen Ressourcen Hochtemperatur-Geothermie-Kraftwerke nach dem Hot-Dry-Rock-Prinzip zu betreiben, wo auch immer Bedarf an Wärme und Strom vorhanden ist. Zu diesem Zweck sind jedoch neue geothermische Energiesysteme zu entwickeln, die im Vergleich zur bisherigen Nutzung von Erdwärme einen Quantensprung in technischer und ökonomischer Machbarkeit erfor1

Der vorliegende Aufsatz basiert vorwiegend auf den Ergebnissen und textliche Ausführungen von Foralith AG (1998), Schaumann G. (2002), Paschen H., Oertel, D., Grünwald R. (2003) sowie Peren F.W. (2004) und der dort verwendeten Literatur. Deren Ergebnisse und Ausführungen sind im Folgenden sinnvoll zusammengefasst, ohne dass sie nochmals einzeln zitiert werden.

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Franz W. Peren

dern. Die wesentlichen technischen Elemente, die zur Schaffung solcher Systeme zur geothermischen Strom- und / oder Wärmeerzeugung erforderlich sind, sind gegenwärtig durch einen recht unterschiedlichen Entwicklungsstand gekennzeichnet. Der primäre gegenwärtige Engpass ist die Bohrtechnik. Die Bohrtechnik – als Schlüsseltechnologie, da notwendige Bedingung einer ökonomischen Machbarkeit – ist auf der Basis der Rotarybohrtechnik aufgrund der langjährigen Erfahrung in der Erdöl-/Erdgasindustrie praktisch technologisch ausgereift. Jedoch reicht dies zur Erschließung produktiver Tiefen zum Erreichen einer ökonomischen Machbarkeit geothermischer Energiesysteme nicht aus. Hier bedarf es einer vollkommen andersartigen, innovativen Bohrtechnik. Ein sinnvolles Verfahren, das sowohl den technischen Ansprüchen herkömmlicher Methoden genügt, als auch die ökonomischen Ansprüche hinsichtlich Kosten und Zeit erfüllen könnte, scheint das sogenannte in der Slowakei und in Deutschland entwickelte Litho-Jet-Bohrverfahren zu sein. Seine technischen Vorteile erstrecken sich vor allem auf das Nutzen natürlicher Gegebenheiten des Gesteins im Untergrund, was sowohl ein relativ schnelles, energiesparendes Vorgehen gewährleistet, als auch ein gerades, zielgerichtetes Vorgehen erlaubt.

2

Die ökonomisch relevanten Rahmenbedingungen

Ob geothermische Energiesysteme in absehbarer Zeit wirtschaftlich wettbewerbsfähig im Vergleich zu existierenden Technologien werden können, hängt vor allem von zwei Umständen ab: 1. von der Brennstoffpreisentwicklung und 2. von dem Einsatz einer wirtschaftlich sinnvollen und technisch innovativen Bohrtechnologie. Aktuell erscheint hier sehr wahrscheinlich nur das Litho-Jet-Bohrverfahren die gewünschten und notwendigen ökonomischen Effekte leisten zu können. Zudem kann auch unterstellt werden, dass sich mittelfristig die Kostensituation für die geothermische Wärmegestehung verbessern wird, infolge der sich allgemein in den Industriestaaten offensichtlich zu wandelnden Energiepolitiken sowie durch eine mögliche Kostendegression infolge eines verstärkten Zubaus von geothermischen Anlagen in Europa. Die in dieser Arbeit gemachten Sensitivitätsanalysen und Kostensimulationen beruhen auf einem mittelfristigen, exemplarischen Markt-EntwicklungsSzenario für Deutschland. Danach lautet die Annahme, dass dort in den nächsten ca. 15 Jahren jährlich etwa 20 geothermische Wärmeerzeugungsanlagen mit je ca. 50 GWhth/a Wärmeleistung bis 100°C mit einem Investitionsvolumen von ca. 200 Mio. €/a errichtet werden. Von dem in der Literatur ange-

Das Litho-Jet-Bohrverfahren

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nommenen Potenzial von ca. 1.000 PJ/a = 278 TWhth/a wären dann bis 2020 ca. 3 % ausgeschöpft. Bezieht man dies auf den entsprechenden Endenergiebedarf für die in Frage kommende Nutzwärme von ca. 3.774 PJ/a = 1.050 TWhth/a , so entspricht dies ca. 1 %. Dieses Szenario ist als optimistisch anzusehen. Es entspricht jedoch den allgemein von Experten gemachten Prognosen, die in 2005 eine jährliche geothermisch-hydrothermale Wärmegewinnung in Deutschland von 500 GWhth erwarten. Zur Einschätzung der wahrscheinlich mittelfristig zu erwartenden Wärmegestehungskosten aus Geothermischen Energiesystemen in Deutschland – ohne Einsatz eines innovativen Bohrverfahrens (Stichwort: Litho-Jet-Bohrtechnologie) – sei auf nachfolgende, aus den Sensitivitätsuntersuchungen abgeleitete Tabelle 1 verwiesen. Tabelle 1. Wahrscheinlich mittelfristig zu erwartende Wärmegestehungskosten aus geothermischen Energiesystemen in Deutschland 2500 m – Gradient: 3,5 C/100 m Gesamtleistung: 14,6 MWth Wärmegestehungskosten: 26 €/MWhth Gesamtinvestition Bohrkosten Zinssatz Vollbenutzungsstunden Thermalwasserförderung Bohrkostenreduktion

5,5 – 11,05 – 13 Mio. € 2,3 – 4,5 – 5,4 Mio. € 2 – 6 – 10 % 2000 – 6000 – 8000 h/a 25 – 75 – 100 m³/h -15 %

21 24 23 53 40

26 26 26 26 26 25

28 27 30 23 24

Quelle: Schaumann G. (2002), S. 32 i.V.m. Anhang 2

Die ökologischen Auswirkungen geothermischer Stromerzeugung sind aus gegenwärtiger Sicht relativ gering und überschaubar. Bei allen in dieser Arbeit quantitativ untersuchten Umwelteffekten – Treibhauseffekt, Versauerung, Primärenergieverbrauch – liegt die Geothermie ähnlich günstig wie andere regenerative Optionen zur Stromerzeugung. Besonders bei den CO2Emissionen schneidet sie wesentlich besser ab als die Stromerzeugung aus Erdgas (Faktor 5) oder Steinkohle (Faktor 10).

3

Die ökonomische Machbarkeit geothermischer Energie

Die wirtschaftliche Bedeutung geothermischer Energie für die Erzeugung von elektrischem Strom ist in Tabelle 2 zusammengefasst. Das größte Potenzial für eine geothermische Energiegewinnung resultiert aus der terrestrischen Wärme, die in trockenen und weitgehend wasserundurchlässigen heißen Gesteinen des Untergrunds (Hot-Dry-Rock[HDR]-Systeme) gebunden ist. Zwar wurden in der Vergangenheit bereits Tiefen bis zu 10.000 m

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Franz W. Peren

und mehr erfolgreich erbohrt, die durch die gegenwärtige Bohrtechnologie definierte technische und auch ökonomische Grenze schätzen geologische Experten jedoch bei rund 7.000 m Tiefe. Grundsätzlich, d.h. unabhängig von der Wirtschaftlichkeit des eingesetzten Bohrverfahrens, sind nachfolgende Folgerungen an ein HDR-System für eine wettbewerbsfähige Erzeugung von Strom zu stellen: • Die Gesteinstemperatur im Untergrund sollte bei einer (Förder-)Tiefe von bspw. fünf Kilometern mindestens 180°C betragen, um einen noch wirtschaftlich wie technisch sinnvollen Wirkungsgrad für die WärmeKraftwandlung zu gewährleisten. • Die effektiv nutzbare Wärmeaustauschfläche im Untergrund sollte mindestens drei Quadratkilometer umfassen. • Die Öffnungsweite der als Wärmetauscher dienenden Risse sollte mindestens 1,5 mm betragen, damit der Energieinput für die Wasserzirkulation wirtschaftlich ist. • Das Verhältnis zwischen minimaler und maximaler Hauptspannung im Untergrund sollte größer sein als 0,75, damit das System stabil und ohne signifikante Wasserverluste betrieben werden kann. • Die Zirkulationsrate sollte optimal bemessen sein. Bei einer Wärmeaustauschfläche von bspw. 5 km² erscheint eine Zirkulationsrate von 75 bis 100 l/s wirtschaftlich optimal. Insgesamt lassen Modellrechnungen hier außergewöhnlich günstige Stromgestehungskosten erwarten. Unter der Annahme realistischer Leistungsdaten des (unterirdischen) HDR-Systems erscheinen Stromerzeugungskosten von rund 0,107 €Cent pro Kilowattstunde als durchaus realistisch (vgl. hierzu Abbildung 3). Allerdings gilt dies nur unter der Annahme, dass die Leistungen des HDR-Wärmeaustauschers über längere Zeit stabil sind, was in praxi noch zu beweisen ist. Andererseits stehen HDR-Systeme erst am Anfang ihrer Entwicklung. Für einen wettbewerbsfähigen Betrieb von HDR-Systemen sind vor allem nachfolgende, bis dato noch nicht erfüllte Forderungen zu erfüllen: • Erzeugung bzw. Stimulation von Wärmeaustauschflächen im geeigneten Untergrund mit einer Ausdehnung von 5 km² und mehr; bisher wurden in Soultz-sous-Forêts etwa 3 km² erreicht. • Zirkulationsraten durch den HDR-Wärmeaustauscher von 50 bis 100 l/s; bis dato wurden nur 20 bis 30 l/s realisiert. • Fließwiderstände im (unterirdischen) HDR-System von etwa 1 bar pro l/s; in Soultz-sous-Forêts wurden bspw. etwa 3 bar pro l/s gemessen.


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Tabelle 2. Die wirtschaftliche Bedeutung geothermischer Energie Typ

Kennzeichen

Wärme aus dem zwischen 8 und flachen Unter- 100m Tiefe begrund trägt die Bodentemperatur ohne jahreszeitliche Schwankungen 10°C bis 16°C.

hydrothermale natürliche konvektive Systeme

Derzeitige Nutzung

Erschließungspotential

hohe Installationskosten, schlechter Wärmetausch im Boden (z.B. ca. 50 W pro Meter Bohrung)

keine

ca. 2.000 Einzelanlagen in der Schweiz

Versorgung dezentraler Wohneinheiten mit Raumwärme; überall anwendbar; bessere Nutzung der Elektrizität für Raumheizung

(vollentwickelt, wirtschaftlich)

durch nicht kondensierbare Gase, vor allem CO2, H2S, SO2; mittlere CO2Belastung 50 g/KWh also 1/20 der Belastung in Kohlekraftwerken; H2S wird durch Stretford-Prozess gebunden und beseitigt

Erzeugung elektrischer Energie, derzeit in The Geysers und in Larderello installierte Kraftwerkskapazität rund 3.300 MW

trockene Dampflagerstätten sind auf wenige, von jungen Vulkanismus geprägte Zonen der Erde beschränkt; bei weiterer Erschließung solcher Zonen könnte in einigen Ländern der gesamte Elektrizitätsverbrauch dadurch gedeckt werden; einzelne Lagerstätten deuten nach mehrjährigem Betrieb Erschöpfungsanzeichen an

Korrosion und Ausfällungen in allen Kraftwerkskomponenten durch hohe Mineralgehalte, vor allem Chloride, Sulfate, Karbonate und Fluoride (vollentwickelt, wirtschaftlich)

durch nicht kondensierbare Gase CO2, H2S, SO2; CO2-Belastung ist gering (50 g/KWh); H2S wird durch das Stretford Verfahren entfernt.

Erzeugung elektrischer Energie bei Temperaturen über 180°C, weltweit ca. 3500 MW installierte Leistung; wenige Lokationen z.B. Wairakei, Philippinen und Kenya.

In vielen vom Vulkanismus geprägten Zonen existieren ausgedehnte Lagerstätten; sie werden heute bereits z.T. genutzt; ihre Nutzung könnte jedoch erheblich gesteigert werden, wenn Korrosionsund Ausfällungsprobleme bewältigt werden.

Wasser / Dampfgefüllte, permeable Reservoirgesteine der obersten Kruste im Bereich geothermischer Anomalien; an junge Magmaintrusionen im Untergrund gebunden

Heißdampf

Heißwasser (bis 90°C)

technologische UmweltbelasProbleme (Stand) tung

Wassergefüllte, permeable Reservoirgesteine im Bereich anomaler geothermischer Anomalien im Untergrund

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Franz W. Peren

Tabelle 2 (Fortsetzung) Typ

Kennzeichen

technologische UmweltbelasProbleme (Stand) tung

Derzeitige Nutzung

Erschließungspotential

Warmwasser (< 90°C)

Wassergefüllte, permeable Sedimente als Lagerstätten in Gebieten mit erhöhten geothermischen Tiefenstufen im Untergrund, meist tiefe Sedimentbecken.

z.T. hohe Mineralisation (vollentwickelt, z.T. wirtschaftlich)

für Heizungsund Prozesswärme im Pariser Becken , Neubrandenburg bei Temperaturen über 60°C; für Thermalbäder oder Gewächshäuser mit zunehmender Bedeutung bei Temperaturen bis 60°C

Geothermalwasser kann in vielen tiefen Sedimentbecken erwartet werden; bestehende Heißwasserzentralen im Pariser Raum oder in Nordostdeutschland arbeiten an der Grenze zur Wirtschaftlichkeit und ersetzen Kraftwerkskapazitäten und tragen so zur Umweltverbesserung bei; die Nachfrage nach Thermalbädern steigt in den Industrieländern; ausgedehntere Nutzung in der Landwirtschaft

unbedeutend

Quelle: Rummel F., Kappelmeyer O. (1993), S. 21

• Wasserverluste im Untergrund von 10 % und weniger; dies wurde mehrfach erreicht, ist jedoch entscheidend von den tektonischen Bedingungen vor Ort abhängig. • Der Einsatz eines wirtschaftlichen, innovativen Bohrverfahrens als Schlüsseltechnologie, da notwendige Bedingung einer ökonomischen Machbarkeit. Die wesentlichen technischen Elemente, die zur Schaffung eines integrierten Gesamtsystems zur geothermischen Strom- und / oder Wärmeerzeugung erforderlich sind, sind gegenwärtig durch einen recht unterschiedlichen Entwicklungsstand gekennzeichnet (vgl. Abbildung 4). Die Bohrtechnik ist auf der Basis der Rotarybohrtechnik aufgrund der langjährigen Erfahrung in der Erdöl-/Erdgasindustrie praktisch technologisch ausgereift. Jedoch reicht dies zur Erschließung produktiver Tiefen zum Erreichen einer ökonomischen Machbarkeit geothermischer Energiesysteme nicht aus. Die Bedingungen in Tiefen spätestens ab ca. 7.000 m sind für konventionelle Bohrtechniken jedoch mit solch enormen Investitionskosten verbunden, dass bei deren Nutzung die ökonomische Machbarkeit des Gesamtsystems dann nicht mehr gewährleistet wäre. Hier bedarf es einer vollkommen anders-


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Tabelle 3. Stromerzeugungskosten alternativer Energieträger Energieart

€ Cent/kWh

Erdöl

3–4

Erdgas

3–4

Nuklearenergie

1–2

Wasserkraft

7–9

Windkraft

6–9

Steinkohle

3–4

Braunkohle

3

Solar

6 – 10

Biomasse

6–7

Photovoltaik

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HDR-System

0,107

Quellen: In Anlehnung an Kaltschmitt M., Nill M., Schröder G., Rogge S. (2002), S. 139 ff.; Heinloth K. (1997), S. 364 sowie eigene Schätzungen

artigen, innovativen Bohrtechnik. Aktuell erscheint nur das Litho-Jet-Bohrverfahren die notwendigen ökonomischen Bedingungen erfüllen zu können. Die zentralen Kosten für die Erstellung geothermischer Energiesysteme resultieren gegenwärtig aus den aktuell sehr kostenintensiven Bohrarbeiten. Dies gilt für die Implementierung von Erdwärmesonden (EWS) und erst recht für den Bau tiefer Brunnen. Der Engpass einer ökonomischen Machbarkeit geothermischer Anlagen liegt eindeutig auf einer technisch und wirtschaftlich sinnvoller Bohrtechnologie. Die Beurteilung der grundsätzlich für die Erschließung von geothermischen Ressourcen in Frage kommenden Bohrtechniken und Entwicklungstendenzen lassen für die relevanten, aktuell geltenden Kostenanforderungen den Schluss zu, dass für EWS-und Geothermiebohrungen in konventionellen Teufenbereichen kurz- und mittelfristig prinzipiell folgende Technologien für eine ökonomisch sinnvolle Machbarkeit primär in Frage kommen: • Rollenbohrwerkzeuge mit Düsen (optimierte Rotarywerkzeuge), • PDC-Werkzeuge, • Pneumatischer Imlochhammer, • Hydraulischer Imlochhammer.

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Franz W. Peren

Rotary-Bohrtechnik

Litho-Jet-Bohrtechnik Stimulationstechnik Komplettierung Kraftwerkstechnik

Marktreife/ kom. Anwend.

Demonstr .stadium

Pilotstadium

Feldversuchsstadium

Laborstadium

Machbarkeitsstudien

Theoretische Überlegungen

Rückkühltechnik

Quellen: In Anlehnung an Kaltschmitt M., Schröder G., Rogge S. (2002), S. 1 ff. sowie eigene Schätzungen

Abb. 1. Entwicklungsstand einzelner Systemkomponenten geothermischer Kraft- bzw. Heizkraftwerke

Für die Erschließung von großen Teufen für die strategisch interessanten und relevanten Geothermie-Bereiche Hot-Dry-Rock (HDR), Hot-Wet-Rock (HWR) oder Deep-Heat-Mining (DHM) – Teufen von ≥ 4.000 m – scheint vor allem unter ökonomischen Gesichtspunkten nur das Schmelzbohren und hier speziell nur eine Litho-Jet-Technologie sinnvoll. Die Untersuchung der herrschenden Bohrverfahren zeigt vor allem folgende Ergebnisse: • Bei Teufen bis zu 200 m – EWS-Bereich – ist das pressluftgetriebene Imlochhammer-Bohrverfahren immer approximativ doppelt so schnell wie eine Rotary-Spülbohrung. • Bei Imlochhammer-Bohrungen nimmt der Bohrfortschritt mit der Tiefe ab (ROP: 0 – 30 m = 50 m/h, ~ 100 m = 43 – 37 m/h, ~ 200 m = 30 – 20 m/h).


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• Bei Rotary-Spülbohrungen ist der Bohrfortschritt bis zu Teufen von ca. 600 m kaum tiefenabhängig; er wird jedoch deutlich bestimmt durch die Lithologie. • Im Gegensatz zu Imlochhammer-Bohrungen verbessert sich bei RotarySpülbohrungen der Bohrfortschritt mit höherem Siltstein-/Sandsteinanteil. • Die Erschließung von großen Teufen (≥ 4.000 m) – hinreichende Bedingung für den notwendigen, geothermisch-technischen Fortschritt von Hot-Dry-Rock-(HDR)-, Hot-Wet-Rock- (HWR)- und Deep-Heat-Mining(DHM)-Energiesystemen – ist mit konventioneller Bohrtechnologie ökonomisch nicht machbar. Hierzu sind innovative Bohrtechniken zu entwickeln. Nach gegenwärtigem Stand der Forschung kann prinzipiell nur eine Schmelzbohrtechnik die notwendige Wirtschaftlichkeit und damit die ökonomische Machbarkeit von geothermischen Energiesystemen solcher Art erreichen. • Als spezielles Schmelzbohrverfahren scheint die Verfolgung der „Lithojet“-Bohrtechnologie als besonders geboten. Tabelle 4. Ökonomisch / technische Bewertung von Bohrtechniken für die Erschließung von geothermischen Energiesystemen Eignung für den spezifischen Einsatzbereich Werkzeuge / Verfahren

EWS

Tiefe Geothermie Tiefe Geothermie (1.000 – 4.000 m) ( ≥ 4.000 m)

Konventionelle Rotarywerkzeuge

++

++

o

Optimierte Rotarywerkzeuge

+

+++

+

PDC-Werkzeuge

+

+++

+

HochleistungsMeißeldirektantrieb

o

++

+

Sonic-Drilling

o

+

o

Schmelzbohren

o

++

+++

Spallation

o

++

++

Pneumatischer Imlochhammer

+++

++

o

Hydraulischer Imlochhammer

++

+++

o

o = ungeeignet; + = wenig geeignet ;++ = geeignet; +++ = gut geeignet Quellen: In Anlehnung an Foralith AG (1998), S. 30, sowie eigene Schätzungen

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4

Franz W. Peren

Summary

The subject of this economic feasibility study is to analyze the necessary conditions and aspects for realizing geothermal energy systems in comparison to and competition with traditional energy sources today or in the near future. The goal is, to check and to criticize the economic feasibility of geothermal energy systems from the current point of view. This subject is based on the global problems of an increasing need of energy in the present and future. There will be less fossil fuel, which will be more expensive in the near future. Nuclear energy loses acceptance, especially in populated areas. In consequence of this situation regenerative energies are getting more and more important. Geothermal energy systems have a special and significant position, because – in contrast to all others regenerative energies – they are globally present and continually have high potentials for disposal, which imply that there are no problems through accumulation or transportation. In contrast to other regenerative energy systems the prospects of success of geothermal energy systems are assessed positively. The geothermal energy recovery is economically advantageous if the investment costs, esp. the drilling costs, could be reduced significantly. An optimization of a common production of electricity and heating seems to be possible, but the competition at the world energy market has to be free from public regulations like e.g. subsidies or tariff or non-tariff protections. Currently the price of geothermal energy may not exceed 20 €/MWhth to be competitive with traditional energies. Also from an environmental point of view the using of geothermal energy has a lot of advantages. From deep drilling experiments we know that in a depth of approximately 10 – 30 km we could find resources for heating hot water respectively getting hot steam, which would theoretically allow every country on this earth to produce (their own) electricity or heat by using the Hot-Dry-Rock technology for the next hundreds of years. The current primary bottleneck for realizing such a geothermal energy system is a useful drilling technology – especially from the economic point of view. Traditional drilling technologies are not able to reach the cost and time level, which is required for getting the necessary competitiveness. It only seems possible to open up a big opportunity for realizing geothermal energy systems of the types Hot-Dry-Rock, Hot-Wet-Rock or Deep-HeatMining – depth of ≥ 4.000 m – by using a (rock-)melt drilling technology, to reduce the investment costs significantly. That assumed a quantum leap in technical progress is necessary, which currently only seems possible by developing and using the Litho-Jet drilling technology.


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Literatur [1] Paschen H., Oertel D., Grünwald, R., Fleischer, T. (2000): Elemente einer Strategie für eine nachhaltige Energieversorgung, in: TAB (Büro für TechnikfolgenAbschätzung beim Deutschen Bundestag), Arbeitsbericht Nr. 69, Berlin. [2] Peren, F.W. (2000): Die thermischen Beschädigungsweisen von Gesteinen bei der Bohrung unter Verwendung der Technologie Litho-Jet, unveröffentlichtes Manuskript der Technischen Universität Kosice, Slowakei. [3] Peren, F.W. (2004): Geothermische Energiesysteme. Eine ökonomische Machbarkeitsstudie, unveröffentlichtes Manuskript der Technischen Universität Kosice, Slowakei. [4] Sekula, F., Rybár, P., Lazár, T., u.a. (1998): Technológia termického tavenia hornin za úcelom hlbenia stihlych vertikálnych diel, Vyskummá správa za rok 1997, Kosice. [5] Schaumann, G. (2002): Untersuchung der Wirtschaftlichkeit der geothermischen Wärmegewinnung in Deutschland im Vergleich zu konventionellen Verfahren sowie die Beurteilung der Erfolgsaussichten für die Geothermie bei heutigen Energiepreisen – Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben 0327114.

Ökonomie der digitalen Wirtschaft Reiner Clement Fachbereich Wirtschaftswissenschaften Sankt Augustin

1

Einleitung „Bits haben kein Gewicht und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Die Grenzkosten für die Produktion weiterer Bits sind gleich null. Man benötigt keine Lagerhallen für Bits. Man kann sie verkaufen und gleichzeitig behalten. Das Original und die Kopie sind nicht voneinander zu unterscheiden. Sie halten sich nicht an Zoll- oder andere Grenzen. Regierungen können nicht feststellen, wo sie sich gerade befinden. Regierungsinstanzen können keine angemessene Rechtsprechung durchsetzen. Der Marktplatz von Bits ist global." (Nicholas Negroponte, 1998, MIT)

Dieses Zitat dürfte auch für einen Physiker wie Wulf Fischer von Wichtigkeit sein, zeigt es doch, wie physikalische Grundlagen der Digitalisierung und dadurch angestoßene technologische Veränderungen die Ökonomie des 21. Jahrhunderts zu prägen vermögen. Die Analyse der Grundlagen der digitalen Wirtschaft ist gerade an einer Fachhochschule, die sich auch unterstützt durch ihren Gründungsrektor neuen Entwicklungen anwendungsnah öffnet, ein interessantes Forschungsgebiet. Viele der nachfolgenden Aussagen sind denn auch in einem Forschungssemester des Autors entstanden und haben zur Umwidmung der Professur unter dem Zusatz der „Innovationsökonomie“ geführt. Auch dies ist im wahrsten Sinne des Wortes Beleg für eine innovationsfreudige und relativ „junge“ Fachhochschule. Die Wertschöpfung in entwickelten Volkswirtschaften ist durch einen hohen Anteil von digitalen Gütern geprägt. Diese Güter haben Eigenschaften, die oft unter dem Begriff des Marktversagens diskutiert werden. Ungeachtet dieser Eigenschaften gibt es viele Unternehmen (z.B. Microsoft, Apple, Google, Ebay), die beachtliche Markterfolge verzeichnen. Ursächlich ist, dass die Unternehmen die Besonderheiten digitaler Güter in geeignete Marktstrategien umsetzen. Einige Grundregeln der ökonomischen Theorie, die bei materiellen Gütern zum Marktversagen führen, sind für digitale Güter zu relativieren.

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2

Reiner Clement

Digitale Güter

Digitale Güter sind immaterielle Mittel zur Bedürfnisbefriedigung, die sich mit Hilfe von Informationssystemen als Binärdaten entwickeln, vertreiben oder anwenden lassen. Digitale Güter können einfach strukturierte Produkte (z.B. Wertpapierkurse), aber auch komplexe Dienstleistungen sein (z.B. die elektronische Abwicklung von Beschaffungsvorgängen). Zum Teil handelt es sich um neue Güter (z.B. Suchmaschinendienste), zum Teil werden andere Dienstleistungen substituiert (z.B. durch Online-Banking). Die Bedeutung digitaler Güter ist nicht auf den Bereich der Informationsökonomie (z.B. Software, Telekommunikation) beschränkt. Erfasst werden alle Branchen, deren Angebot sich teilweise oder vollständig digitalisieren lässt (z.B. Finanzdienstleistungsbranche, Intermediäre wie Reisebüros, Gesundheitsbranche). Digitale Güter haben damit einen zunehmenden Einfluss auf die gesamte Wertschöpfung einer Volkswirtschaft. Es ist sinnvoll, verschiedene Digitalisierungsgrade zu unterscheiden. Die Dienste eines Internet-Providers sowie das Herunterladen von Musikstücken oder Software sind vollständig digitale Güter. Werden Zusatzdienstleistungen in physischer Form erbracht (z.B. Kauf einer Anwendungssoftware mit Einführungsberatung), liegt ein semi-digitales Gut vor. Das Online-Portal klassischer Versandhändler (z.B. Otto-Versand) ist ein semi-physisches Gut, da der Hauptbestandteil der Dienstleistung (u.a. der Versand) physisch erfolgt und nur die Informationsflüsse digital abgebildet werden. Erfolgt in diesem Beispiel der Informationsfluss nicht digital, liegt ein physisches Gut vor. Vor allem die vollständig digitalen Güter unterscheiden sich in mehrfacher Hinsicht grundlegend von materiellen Gütern (vgl. Tab. 1) und erfordern eine eigenständige ökonomische Analyse. Tabelle 1. Eigenschaften materieller und digitaler Güter Materielle Güter

Digitale Güter

Hohe Vervielfältigungskosten

Niedrige Vervielfältigungskosten

Wertverlust durch Gebrauch

Keine Abnutzung

Individueller Besitz

Vielfacher Besitz möglich

Schwierige Verbreitung (Logistik)

Einfache Verbreitung (Download)

Kopierbarkeit schwierig

Kopierbarkeit einfach

Ökonomie der digitalen Wirtschaft

3

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Besondere Merkmale digitaler Güter

Ein Marktversagen in der klassischen Ökonomie liegt vor, wenn die preisliche Allokation Ressourcen nicht effizient zuteilt. Beispiele sind Skaleneffekte, Marktmacht, öffentliche Güter oder das Vorliegen einer asymmetrischen Informationsverteilung. In diesen Fällen kommt es zu Marktergebnissen, die z.B. durch staatliche Eingriffe zu korrigieren sind. Übertragen auf digitale Güter ist diese Schlussfolgerung voreilig. Hier sind die genannten Beispiele weniger Ausdruck des Marktversagens, sondern eher Folgen von Eigenschaften dieser Güter. 3.1 Kostenstruktur, Netwerkeffekte und Monopole Die Entwicklungskosten (Fixkosten, first-copy-costs) digitaler Güter sind in der Regel hoch. Die variablen Kosten und Grenzkosten tendieren hingegen gegen Null. Eine Anwendung der Preis-Grenzkosten-Regel ist also nicht möglich. Bei digitalen Gütern liegen auch keine Kapazitätsbeschränkungen vor. Informationsgüter sind beliebig oft kopierbar, ohne dass sich die Gesamtkosten nennenswert erhöhen und ohne das sich ihre Qualität und ihr Inhalt verändern. Eine Ausweitung der Produktionsmenge führt durch die Ausnutzung von economies of scale zu einem rapiden Abfall der Durchschnittskosten. (Abb. 1). Diese Kostenstruktur erklärt, dass z.B. Softwarehersteller in kurzer Zeit Gewinne erzielen, die in der „traditionellen“ Ökonomie so nicht entstehen können. Sobald der Absatz eines Gutes seine Fixkosten deckt, wird der weitere Umsatz zum Reingewinn. Materielle Produkte

Stückkosten

Stückkosten

Digitale Produkte

min

Optimale Anzahl

Anzahl

Abb. 1. Kostenverläufe bei materiellen und digitalen Gütern

Anzahl

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Reiner Clement

Die angebotsseitigen Effekte der Stückkostendegression werden auf der Nachfrageseite verstärkt durch Netzeffekte. Direkte Netzeffekte treten auf, wenn mit dem Anstieg der Gesamtnutzerzahl eines Netzes der Nutzen der Teilnahme für jeden bereits bestehenden Nutzer ansteigt (positive Externalitäten). Das klassische Beispiel ist das Telefon, das keinen Nutzen für seinen Besitzer hat, wenn niemand sonst ein Telefon besitzt und er deshalb niemanden anrufen kann. Marktversagen resultiert daraus, dass jeder zusätzliche Telefonkunde den Nutzen aller Telefoninhaber erhöht, ohne dass der Kunde dafür kompensiert wird. Aus gesamtwirtschaftlicher Sicht werden die existierenden Netze also eine suboptimale Größe aufweisen. Indirekte Netzeffekte entstehen, wenn komplementäre Güter (z.B. Betriebssysteme, Anwendungssoftware) dazu führen, dass der Wert des ursprünglichen Gutes mit der Netzteilnehmerzahl steigt. Wenn sich Skalenerträge und Netzeffekte gegenseitig verstärken, kommt es zu positiven Rückkopplungsprozessen, die zu einem schnellen Wachstum der dominierenden Unternehmen führen. Das Vorliegen von technologischen Standards begünstigt das Entstehen zumindest temporärer monopolartiger Situationen. Dabei ist nicht sichergestellt, dass sich die überlegene Technologie durchsetzt. Beispiele für nicht in allen Punkten überlegene, aber dominante Netzwerkgüter sind das QWERTY-System bei Schreibmaschinentastaturen, der Sieg des VHS-Systems über Betamax bei Videorecordern und die Verdrängung von Macintosh-Programmen durch DOS / WindowsProgramme. 3.2 Öffentliche Güter und Erfahrungsgüter Öffentliche Güter, z.B. die innere Sicherheit, besitzen, im Gegensatz zu privaten Gütern, die Eigenschaften der Nicht-Rivalität und der Nicht-Ausschließbarkeit. Nicht-Rivalität bedeutet, dass der Konsum durch eine Person nicht die Verfügbarkeit für andere Personen verringert. Nicht-Ausschließbarkeit bedeutet, dass eine Person nicht andere Personen vom Konsum des Guts ausschließen kann. Bei vielen digitalen Gütern treten diese Eigenschaften in ähnlicher Form auf. Durch die geringen Reproduktionskosten besteht bei der Nutzung dieser Güter keine Rivalität. Beispielsweise wird durch das Abspielen einer Videokassette der Film darauf nicht zerstört und steht anderen Personen weiter zur Verfügung. Hinzu kommt, dass Informationsgüter nahezu kostenlos – auch illegal – dupliziert werden können, d.h. zahlungsunwillige Kunden können nur schwer von der Nutzung ausgeschlossen werden. Unter marktwirtschaftlichen Bedingungen wäre also mit einem Unterangebot an Information zu rechnen. In der Praxis ist aber eher ein Überangebot an Informationen zu erkennen. Digitale Güter sind aber nicht immer mit öffentlichen Gütern gleichzusetzen, wie das Beispiel der Software zeigt (vgl. Abb. 2). Open Source Software findet sich im unteren linken Eck von Abb. 2. Da Open-Source-Software regelmäßig entgeltfrei zur Verfügung steht (z.B. über Download), liegt aufgrund der feh-


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lenden Preisbildung kein Markt vor. Aufgrund ihrer beliebigen Kopierbarkeit und technischen Problemen des Schutzes können diese Güter übernutzt werden. Auch kann der private Anreiz fehlen, neue digitale Güter herzustellen. Spezialsoftwarepakete für Firmen sind dagegen private Güter und liegen oben rechts in der Graphik. Gängige Firmensoftware weist zwar keine Rivalität der Güternutzung auf, allerdings sind die Unternehmen z.B. durch Lizenzen gezwungen, legale Software einzusetzen. Damit ist das Merkmal Ausschließbarkeit erfüllt und diese Produkte liegen oben links in der Graphik. Digitale Güter (insbesondere in ihrer Ausprägung als Informationsgüter) sind oft nicht nur öffentliche Güter und Netzwerkgüter, sondern auch Erfahrungsgüter. Damit ein potenzieller Konsument feststellen kann, welchen Inhalt ein Informationsgut hat, und ob es den eigenen Erwartungen und Bedürfnissen entspricht, müsste er es zuerst konsumieren. Danach hat der potentielle Konsument das Informationsgut aber bereits und braucht es nicht mehr zu erwerben. Der übliche Marktmechanismus besagt, dass es zum Abschluss eines Kaufvertrags kommt, wenn der Angebotspreis des betreffenden Gutes nicht höher liegt als der Reservationspreis des Käufers. Diese Regel versagt bei Informationsgütern, da die Käufer selbst ihren Reservationspreis nicht kennen, solange sie das Gut nicht gekauft haben. Privates Gut

100% Ausschließbarkeit

Öffentliches Gut

Rivalität der Güternutzung

100%

Abb. 2. Ausprägungen von Gütern

Im Internet werden schwerpunktmäßig eher einfache und standardisierte Erfahrungsgüter und weniger Vertrauensgüter gehandelt. Ursächlich ist oft die ungleiche Informationsverteilung, die durch die Anonymität der Transaktion begünstigt wird. Das Internet wird daher auch nicht in allen Bereichen zu einem Verdrängungswettbewerb führen, da viele Kunden sich bewusst für das teurere Angebot entscheiden, wenn sie sich von dem Anbieter eine höhere Zuverlässigkeit beim Kauf digitaler Güter oder im Umgang mit Informations-

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Reiner Clement

gütern versprechen. Die Reputation eines Unternehmens wird zu einem strategischen Wettbewerbsfaktor. Durch die große Menge an Informationen können jedoch die kognitiven Fähigkeiten der Marktakteure überfordert werden. Ein glaubwürdiges Filtern der Informationen ist unabdingbar. Ansonsten ist ein Versagen des Marktes nicht auszuschließen.

4

Marktstrategien

Viele digitale Güter weisen Eigenschaften auf, die zum Marktversagen führen müssten. Gleichzeitig beobachten wir ein enormes Wachstum elektronischer Märkte. Die Realität folgt also theoretischen Überlegungen nur bedingt. Die unübersehbare Dynamik von Märkten für digitale Güter sollte allerdings nicht zu dem Fehlschluss verleiten, dass die Anbieter die Ursachen für Marktversagen schlichtweg ignorieren könnten. Sie müssen spezielle Wettbewerbsstrategien entwickeln, um wirtschaftliche Erträge aus der Bereitstellung von digitalen Gütern erzielen zu können. 4.1 Kontroll- und Zugangsstrategien Wollen Anbieter ein neues Gut auf den Markt bringen, ist zunächst die strategische Grundsatzentscheidung zu treffen, ob das Gut möglichst kompatibel zu der bisher vorherrschenden Technologie bzw. dem System / Standard sein soll (Evolution) oder Inkompatibilitäten bewusst in Kauf genommen werden (Revolution). Vorteil der Evolutions-Strategie ist, dass die Wechselkosten der Konsumenten geringer sind (z.B. Hardwareanforderungen der Software). Alternativ kann die Revolutions-Strategie gewählt werden, wobei die Nutzensteigerung für den Konsumenten so groß sein muss, dass er Wechselkosten in Kauf nimmt (z.B. Einführung technologisch überlegener Nintendo-Spielekonsolen Mitte der 80er Jahre). Ausschlaggebend dafür, wie stark der Wettbewerb in einem Markt mit Netzwerkeffekten geprägt ist, sind damit die Kosten des Wechsels von einem Netzwerk in ein anderes. Derartige Wechselkosten können aus technischen Inkompatibilitäten herrühren, aber auch aus langfristigen Vertragsbeziehungen oder aus produktspezifischen Lernkosten (z.B. Schulung). Weiterhin muss der Anbieter entscheiden, ob er anderen den offenen Zugang zu seiner Technologie ermöglicht oder die Kontrolle behält. Die Wahl ist davon abhängig, ob die Fähigkeiten des eigenen Unternehmens (u.a. bisherige Marktposition, Ressourcenausstattung, technologische Kompetenz, Kundenbasis) ausreichend sind, um das Gut bzw. seinen Standard am Markt durchsetzen zu können. Gelingt die Durchsetzung, braucht das Unternehmen die aufgrund von Wechselkosten gefangene Kundenbasis nicht zu teilen und hat eine höhere Marktmacht (z.B. Microsoft – Betriebssysteme). Der Vorteil eines offenen Zugangs liegt darin, dass sich die Chancen zur breiten Durchsetzung des Gutes erhöhen (z.B. Java-Technologie von Sun oder PDF-


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Tabelle 2. Generische Strategien Kontrolle der Entwicklung

Offenheit der Entwicklung

Evolution der Technologie

sanfter Technologiewandel, Kontrollierte Migration

Standardisierter Technologiewandel, Offene Migration

Revolution der Technologie

Technologiewandel ohne Rücksicht auf Verluste

Allgemeiner Technologiewandel (Einführung von neuer inkompatibler Technologie durch viele konkurrierende Hersteller)

Format von Adobe) aufgrund einer breiteren Anbieterfront, höherer Glaubwürdigkeit der Technologie und damit stärkerer Unterstützung durch Komplementärgüteranbieter. Zumeist lassen sich damit auch zusätzlich Lizenzeinnahmen generieren. Werden die Dimensionen Evolution / Revolution und Kontrolle / Offenheit kombiniert, ergeben sich vier generische Strategien (Tab. 2). In einem von Netzwerkeffekten geprägten Markt sind weitere Strategien hilfreich. In der Phase der Etablierung des Gutes oder des Standards werden die Preise niedrig gestaltet bzw. die Güter sogar verschenkt, um möglichst schnell die kritische Masse an Nutzern aufzubauen (z.B. die kostenfreie Vergabe des Internet-Explorers). Zum Teil werden sogar Verluste in Kauf genommen. Produktvorankündigungen (z.B. Beschreibung der Produkteigenschaften, Liefertermin) können dazu führen, dass die Konsumenten geplante Investitionen für Konkurrenzprodukte zurückstellen, wenn das Unternehmen eine hohe Reputation besitzt. Weiterhin kann der Anbieter durch die Ankündigung von Allianzen, Partnern oder Referenzkunden die Konsumentenerwartungen positiv beeinflussen. In der zweiten Phase, in der die Wettbewerbssituation gefestigt und die Kundenbasis ausreichend groß sind, können dann die Preise erhöht werden. Sind die Chancen gering, dass ein eigenes Produkt bzw. ein eigener Standard den Markt dominieren wird, kann sich der Anbieter einem anderen Standard anschließen (z.B. Lizenznahme oder Anbieten von Komplementärprodukten in einer profitablen Marktnische innerhalb eines Standards). Eine aggressive und verlustreiche Preisstrategie kann hingegen von den Marktteilnehmern als Zeichen der Schwäche gewertet werden. 4.2 Preis- und Produktstrategien Für die Anbieter digitaler Güter ist die Preisdifferenzierung zum Teil überlebensnotwendig, da die Kostenstruktur der Güter traditionelle Preisbildungsverfahren erschwert. Da digitale Güter beliebig und ohne nennenswerte Kosten veränderbar sind, ist ein Angebot unterschiedlicher Güterqualitäten rela-

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Reiner Clement

tiv einfach möglich. Elektronische Kundenprofile und die damit verbundene Kenntnis von individuellen Bedürfnissen erleichtern ebenfalls das Angebot differenzierter Güter. Grundsätzlich führt die Preisdifferenzierung zu einer Abschöpfung der Konsumentenrente. Bei digitalen Gütern ist eine Tendenz zum Einsatz dynamischer Formen der Preisbildung zu erkennen, die aufgrund der Kostenstruktur digitaler Güter überhaupt funktionsfähige Märkte etablieren. Zunehmender Beliebtheit erfreuen sich z.B. Online-Auktionen. Es gibt aber auch andere Formen. Beim Modell Name your Price nennt der Kunde den Preis, den er bereit ist, für das Gut zu zahlen. Dabei betreibt er Selbstselektion, d.h. wählt z.B. einen gewünschten Flug mit den entsprechenden Eigenschaften (Klasse, Zwischenstops). Liegt der Preis über den Grenzkosten des Anbieters erhält der Kunde das Gut zum genannten Preis. Das Unternehmen kann die gesamte Konsumentenrente abschöpfen, falls der Kunde seine wahre Zahlungsbereitschaft genannt hat. Das Reverse Pricing ermöglicht durch eine Umkehrung des herkömmlichen Preismechanismus sowohl dem Käufer als auch dem Verkäufer eine Einflussnahme auf den Preis eines Produktes. Hierbei legt der Verkäufer einen Mindestpreis für ein Gut fest. Anschließend geben Käufer Gebote ab, ohne die Höhe des Mindestpreises zu kennen. Liegt ein Gebot oberhalb des Mindestpreises, kommt der Verkauf zu einem Preis in Höhe des Gebots des Käufers zustande. Durch die Kenntnis der Nachfragepräferenzen und die niedrigen variablen Kosten digitaler Güter wird die Produktbündelung erleichtert. Diese Strategie dient ebenso wie jene der Preisdifferenzierung der Abschöpfung von Zahlungsbereitschaften. Die Produktbündelung reduziert den Wettbewerb: auf der Angebotsseite in jedem Marktsegment, weil die Marktzutrittskosten – wegen kombinierter sunk costs – steigen und die Markteintrittschranken erhöht werden: Auf der Nachfrageseite tritt der gleiche Effekt ein, weil für die als Paket beworbenen Leistungen eine reduzierte Nachfrageelastizität wirksam wird. Bei der Produktbündelung entstehen verwobene Leistungspakete, die die Marktransparenz erschweren. Produktbündelung (Tying) fällt – wegen der wettbewerbsbeschränkenden Wirkung – in den USA unter das Per-seVerbot des Antitrustrechts (z.B. Bündelung von Windows mit Internet-Explorer oder Media Player). Eine besondere Form der Produktdifferenzierung für digitale Mediengüter (z.B. Spielfilme) ist das Versioning. Grundgedanke ist es, eine Produktlinie zu gestalten, aus der sich der Konsument das Gut mit dem für ihn höchsten Nutzen auswählt. Dies lässt sich realisieren, indem der Anbieter zuerst diejenigen Gütereigenschaften identifiziert, die hinsichtlich ihrer Nutzenstiftung von Konsumenten unterschiedlich eingeschätzt werden. Ansatzpunkte des Versioning sind Aktualität (z.B. Konsum eines Spielfilms im Kino, per Video-Kasette oder im TV), Funktionsumfang, Geschwindigkeit und Zusatznutzen.


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4.3 Rechtemanagement Unter den digitalen Gütern sind Software und Musikstücke besonders anfällig für unberechtigte Vervielfältigung, da ihr Nutzen zeitunabhängig gleich bleibend ist (im Gegensatz z.B. zu Nachrichten, deren Wert mit abnehmender Aktualität fällt) und sie mehr als einmal genutzt werden. Naheliegend ist es, dass Anbieter eine Zeitabhängigkeit bzw. künstliche Veralterung erzeugen, indem sie Updates und neue oder verbesserte Versionen ihrer Güter auf den Markt bringen. Diese Strategie berücksichtigt, dass sich digitale Güter nicht abnutzen und daher eine lange Lebensdauer haben. Da digitale Güter beliebig oft vervielfältigt werden können, besteht die Gefahr, dass aus ihrem Angebot keine ausreichenden Gewinne erzielt werden können. Um dieser Gefahr zu begegnen, muss das Angebot sozusagen künstlich verknappt werden. Dazu bieten sich grundsätzlich zwei Ansatzpunkte an: • Rechtliche Ebene: Persönlichkeitsrechte (Schutz gegen Verfälschung), Nutzungsrechte (Beschränkung der Nutzungsarten für Dritte, z.B. zeitlich oder inhaltlich), Verwertungsrechte (Übertragung des Nutzungsrechts). • Technische Ebene: Bindung an Trägermedien (z.B. CD, Computer), Verschlüsselung (z.B. Pay-TV), Kopierschutz von Trägermedien und Informationen. Bisher haben die rechtlichen und technischen Schritte z.B. bei der Verhinderung des illegalen Downloads eher mittelmäßigen Erfolg gehabt. Viele Ökonomen fordern daher liberalere Nutzungsbedingungen. Je mehr Freiheiten dem Konsumenten bei der Verwendung des Gutes gewährt werden, desto höher sind in der Regel der Nutzen und damit auch der Preis, den der Kunde zu zahlen bereit ist. Allerdings wird durch liberalere Vertragsbedingungen auch die Konkurrenz für das Gut erhöht und die Zahl der Abnehmer reduziert, da z.B. durch perfekte Kopien legale oder durch Raubkopien illegale Märkte entstehen. Die Frage nach dem optimalen Nutzungsgrad von digitalen Gütern ist daher noch nicht beantwortet. Stellt ein Hersteller z.B. Software sogar ohne Kopierschutz her, so erhöht das unerlaubte Kopieren der Software die Zahl der Nutzer (Käufer und „Piraten“). Durch positive Netzwerkeffekte steigen der Nutzen und damit der Wert der Software für potenzielle Käufer. Gleichzeitig nimmt die Anzahl der Käufer ab, da einige statt des Originalproduktes die Raubkopie wählen. In der Regel werden sich aber immer noch Käufer für das Produkt finden lassen, die entweder auf den Support nicht verzichten wollen oder die es sich auf Grund ihres guten Rufes nicht leisten können, Raubkopien zu benutzen (z.B. staatliche Einrichtungen, Unternehmen). Es gilt daher abzuwägen, für welche Produkte welcher der beiden Effekte überwiegt. Einige Branchen haben sich zudem mehr auf die Chancen ausgerichtet, die das Internet als Werbeplattform bzw. Distributionsweg bietet. Eine Strategie besteht z.B. darin, eine niedrigpreisige Version als

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Reiner Clement

Freeware zu vertreiben und eine qualitativ höherwertige Version nur für bestimmte Nutzungsgruppen anzubieten. Noch ist aber offen, ob und inwieweit gängige Theorien zur Durchsetzung von materiellen Eigentumsrechten auf das Eigentum an digitalen Gütern übertragen werden können.

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Fazit

Die früher für die Produktion von physischen Gütern Erfolg versprechenden Strategien sind nicht mehr ohne weiteres auf digitale Güter zu übertragen. Die Märkte für digitale Güter sind durch Faktoren wie kritische Masse, Produktbündelungen, Standards und Reputation geprägt. Auch diese Märkte können allerdings versagen, wie das Scheitern von Unternehmen der „New Economy“ mehr als deutlich macht. Die Anbieter von digitalen Gütern können das potenzielle Marktversagen nicht ignorieren. Sie sind gezwungen, spezielle Wettbewerbsstrategien zu entwickeln, um wirtschaftliche Erträge aus der Bereitstellung von digitalen Gütern erzielen zu können.

Literatur Choi, S., Stahl, D., Whinston, A.: The Economics of Electronic Commerce, Indianapolis / Indiana, 1997 Clement, R.: Preis- und Erlösstrategien auf elektronischen Märkten, in: WISU 8/9/2001, S. 1176 – 1181 Clement, R.: Marktbesonderheiten und Marktstrategien für digitale Güter, in: WISU, 2/2006, 238 – 244 Clement, R.: Arbeiten elektronische Märkte effizienter als traditionelle Märkte?, in: WISU 2/2007, S. 360 – 365 Shapiro, C., Varian, H.: Information Rules: a strategic guide to the network economy, Boston, Mass., 1999 Shy, O.: The Economics of Network Industries, Cambridge 2001 Smith, M.D., Bailey, J., Brynjolfsson, E.: Understanding Digital Markets. Review and Assessment, in: Brynjolfsson, E., Kahin, B. (eds.): Understanding the Digital Economy, Cambridge 2000, S. 99 – 136

IT-Offshoring: Entscheidungsprozess Andreas Gadatsch Fachbereich Wirtschaftswissenschaften Sankt Augustin

Zahlreiche Unternehmen erhoffen sich durch die Auslagerung von Softwareentwicklungsarbeiten in Niedriglohnländer (IT-Offshoring) hohe Kostenreduktionen und eine Verbesserung der Softwarequalität. Viele Projekte können diesen Anspruch jedoch nicht erfüllen und scheitern. Der Beitrag führt in die Thematik ein und beschreibt einen mehrstufigen Entscheidungsprozess für die Durchführung von IT-Offshore-Projekten.

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IT-Outsourcing

IT-Outsourcing ist die Verlagerung der Planung, der Entwicklung und des Betriebs von Informationssystemen auf Dritte. Es tritt in zahlreichen Varianten in Erscheinung. Üblich sind Klassifizierungen nach dem Ort der Leistungserbringung, der Anzahl der beteiligten Partner sowie der Zugehörigkeit des Leistungserbringers zum Unternehmen (vgl. Abb. 1). Die bekanntesten Varianten sind Offshoring bzw. Nearshoring. Hierunter ist die Vergabe der Aufträge in Niedriglohnländer zu verstehen (vgl. z.B. Ruiz Ben / Claus, 2005, S. 35). Neben dem Kostenvorteil durch ein niedrigeres

Single (ein Partner)

Onsite Leistungserbringung am Ort der Nachfrage

Onshore Leistungserbringung im Land der Nachfrage

Nearshore Leistungserbringung im Nachbarland

Offshore Leistungserbringung in einem weiter entfernten Land

Dual (zwei Partner, einer davon Onsite)

Multiple (mehrere Partner, einer davon Onsite) Intern (eigenes Unternehmen) Extern (fremdes Unternehmen)

Abb. 1. Varianten des IT-Outsourcing (in Anlehnung an Bacher, 2002, S. 55).

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Andreas Gadatsch

Lohnniveau kommen noch Nebeneffekte, wie z.B. längere Arbeitszeiten, flexiblere arbeitsrechtliche Bestimmungen (z.B. Kündigung von Arbeitsverträgen) sowie steuerliche Subventionen hinzu. Von Nearshore wird gesprochen, wenn die Leistungserbringung in Niedriglohnländern mit gleichem Kulturkreis, Zeitregion, Sprache etc. erfolgt. Diese sind aus deutscher Sicht Länder in Osteuropa oder Irland und Portugal. Onshore bedeutet eine Leistungserbringung im Land des Auftragnehmers, also aus deutscher Sicht in Deutschland. Oft stammen die IT-Spezialisten aus dem Ausland und werden zur Erzielung einer größeren Kundennähe im Auftraggeberland eingesetzt. Offshore beschreibt die Auftragsvergabe in weiter entfernte Länder. Hierunter fallen insbesondere Länder anderer Kulturkreise, Zeitzonen und Sprachen, wie z.B. Indien oder China. Noshore bezeichnet ITProzesse, die im eigenen Unternehmen bzw. im eigenen Land ausgeführt werden, stellt also eine Entscheidung gegen Outsourcing dar. IT-Projekte können durch einen einzigen Partner (Single), durch zwei Partner (Dual) oder durch mehrere Partner (Multiple) bewältigt werden. Im Fall Dual bzw. Multiple arbeitet mindestens ein Partner Onshore, also im Land des Auftraggebers, meist um die Kundennähe zu verbessern und um kulturelle Distanzen zu vermeiden bzw. zu überbrücken. Die eigentliche Leistungserbringung erfolgt dann Offshore bzw. Nearshore.

2

IT-Offshoring

2.1 Varianten Typische in der Praxis entwickelte Organisationsformen der Verlagerung von Softwareentwicklungstätigkeiten sind: Onsite, Onsite-Offshore, Onsite-OnshoreOffshore, Nearshore, Reines Offshore und als Spezialfall Captive Center (Kolisch und Veghes-Ruff, 2005, S. 919ff.). Bei der Onsite-Software-Entwicklung werden die Mitarbeiter des OffshoreUnternehmens direkt am Standort, meist in den Geschäftsräumen des Auftraggebers, tätig. In diesem Fall handelt es sich um klassisches „Body-Leasing“, wenn nur einzelne Mitarbeiter bereitgestellt werden oder Fremdbeschaffung von IT-Dienstleistungen, wenn z.B. ein vollständiges Projektteam bereitgestellt wird. Der Unterschied zur „normalen“ Fremdbeschaffung liegt eher in der Art des Auftragnehmers, der aus einem „Offshore-Land“ stammt. Bei der Onsite-Offshore Software-Entwicklung arbeiten Mitarbeiter des Offshore-Anbieters zum Teil vor Ort beim Kunden im Auftraggeberland. Sie führen insbesondere die fachliche Analyse des Problems durch und erstellen mit dem Kunden die Sollkonzeption. Idealerweise handelt es sich um Mitarbeiter, die aus dem gleichen Kulturkreis wie der Kunde stammen oder entsprechende Erfahrungen vorweisen können. Hierdurch werden die Kommunikationswege beim Kunden verkürzt und Missverständnisse können schnell

IT-Offshoring: Entscheidungsprozess

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beseitigt werden. Am Offshore-Standort werden die reinen Entwicklungstätigkeiten (Programmierung, Test, Dokumentation) durchgeführt. Allerdings sinkt der potentielle Kostenvorteil mit dem Grad der Vor-Ort-Aktivitäten im Auftraggeberland. Ein typischer Anwendungsfall des Onsite-Offhore-Modells ist in Winkler (2004) dokumentiert. Der in diesem Beitrag beschriebene Offshoring-Anbieter bietet unter dem Namen „Dual-Shore“ ein vergleichbares Lösungsmodell an. Das Konzept der Onsite-Onshore-Offshore-Software-Entwicklung entspricht weitgehend dem der Onsite-Software-Entwicklung. Hierbei werden auch die technischen Arbeiten an den Standort des Kunden verlagert. Infrage kommen insb. Tests und Abnahmen der entwickelten Software, gemeinsam im Dialog mit dem Auftraggeber. Nur der Betrieb der Software erfolgt beim Dienstleister. Das klassische Modell “Reine Offshore-Software-Entwicklung” sieht vor, dass sämtliche Arbeiten beim Offshore-Anbieter durchgeführt werden. Wegen der großen geografischen Distanz, den damit verbundenen Kommunikationsproblemen und den größeren kulturellen Unterschieden besteht bei diesem Modell die größte Gefahr des Scheiterns. Unter Nearshore-Software-Entwicklung wird die Durchführung der Projekte in Ländern verstanden, die zum gleichen Kulturkreis zählen und relativ schnell zu erreichen sind. Inhaltlich entspricht das Konzept dem „reinen OffshoreModell“, d.h. sämtliche Arbeiten werden beim Offshore- bzw. in diesem Fall beim Nearshore-Anbieter durchgeführt. Das Captive Center ist ein Offshore-Entwicklungszentrum des Auftraggebers am Offshore Standort. Diese Variante wird oft von großen Firmen praktiziert um die Offshore-Vorteile (insb. niedrige Lohnkosten) zu nutzen, ohne deren Nachteile (insb. Know-how-Wegfall) in Kauf zu nehmen. Im Kern handelt es sich hierbei um eine Verlagerung der Softwareentwicklung in ein Niedriglohnland. 2.2 Wirkungen auf den Arbeitsmarkt Neben Deutschland verlagern auch andere Industrieländer, insb. die USA und Großbritannien, IT-Arbeitsplätze in Niedriglohnländer, vorzugsweise wegen der fehlenden Sprachbarriere nach Irland, Indien, Israel und Kanada (Ruiz Ben / Claus, 2004, S. 37). Eine Studie des Beratungsunternehmens Forrester Research kam zu dem Ergebnis, dass in Deutschland bis 2015 rund 1,1 Millionen Arbeitsplätze verloren gehen (vgl. Boes / Schwemmle, 2004, S. 115). Allweyer et al. (2004) waren dagegen der Meinung, dass wesentlich weniger Arbeitsplätze verloren gehen. Als Grund werden die steigende Produktivität der deutschen Wirtschaft und Exporte in Offshore-Regionen angeführt. Die Deutsche Bank und der Industrieverband BITKOM erwarten nach den Ergebnissen ihrer neuesten Offshoring-Studie nur einen geringen Abbau von Arbeitsplätzen im Inland. Fast ein Drittel der befragten Unternehmen erwartet

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Andreas Gadatsch

sogar einen Personalaufbau von 5 % oder mehr im Inland (vgl. Deutsche Bank Research, 2005, S. 13). Allerdings gibt es nach wie vor Studien, die von höheren Belastungen für den Arbeitsmarkt ausgehen. Sehr kritisch dagegen urteilt Forrester Research (vgl. Friedrich, 2005b). Bis 2015 sollen in Deutschland etwa 140.000 Arbeitsplätze wegfallen. Die Schätzungen für Westeuropa werden mit 1,2 Millionen Arbeitsplätzen beziffert, die bis 2015 in OffshoreLänder abwandern werden. Im Vergleich mit Schätzungen für die USA fallen diese Angaben noch relativ bescheiden aus. Etwa 3,3 Millionen Arbeitsplätze sollen dort im gleichen Zeitraum wegfallen. Die Gründe für die deutsche Zurückhaltung sind die geringe Bereitschaft von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) zur Auslagerung, traditionell hohe Bindung des Personals an das Unternehmen, hoher Einfluss der Gewerkschaften und strenge gesetzliche Vorgaben.

3

Entscheidungsprozess für IT-Offshore-Projekte

3.1 Stufe 1: Make or Buy (Insourcing vs. Outsourcing) Bei geringer Bedeutung der IT-Lösungsansätze für die Unternehmensziele und Kernprozesse bietet sich eine klassische Buy-Strategie an, also Outsourcing der IT-Entwicklung bzw. des IT-Betriebs. Typische Beispiele für das klassische Outsourcing sind Standardanwendungssoftware für die Buchhaltung, Lagerwirtschaft oder IT-Arbeitsplätze, der Betrieb eines kompletten Rechenzentrums oder die Administration von Servern. hoch

Strategische Bedeutung der IT-Lösung im Hinblick auf Unternehmensziele und Kernprozesse

gering

Make-Strategie Entwicklung und Betrieb wenig standardisierbarer IT-Produkte und IT-Leistungen z. B. Informationssystem für Produktentwicklung, Vertrieb und Service, Kundeninformationssystem Mix-Strategie Koordinierter Einsatz interner und externer Ressourcen z.B. Outsourcing von ERP-Anwendungen Eigenbetrieb von Buy-Strategie Individualanwendungen Outsourcing standardisierter IT-Produkte und IT-leistungen z.B. Standardsoftware für Buchhaltung oder Lagerwirtschaft, Benutzerservice IT-Arbeitsplätze, RZ-Betrieb, Serveradministration gering

Individualität der Aufgabenstellung im Hinblick auf Unternehmensziele und Kernprozesse

Abb. 2. Outsourcing-Standardstrategien (Gadatsch / Mayer 2006)

hoch


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Beim Betrieb wenig standardisierter IT-Produkte und IT-Leistungen ist die strategische Bedeutung hoch, wenn wichtige Kernprozesse des Unternehmens betroffen sind und es sich um vorwiegend unternehmensindividuelle Aufgabenstellungen handelt. Typisch dafür sind die Entwicklung von Informationssystemen für die Produktentwicklung sowie Vertrieb und Service oder spezifische Kundeninformationssysteme. Die Anwendung der Buy-Strategie bei strategisch relevanten Aufgaben wird von vielen Unternehmen unterstützt, z.B. dem Telekommunikationsanbieter Vodafone. Stattdessen wird vom „Head of Strategic Outsourcing“ vorgeschlagen, das für den Betrieb notwendige Knowhow einzukaufen (vgl. Francome, 2006). Sind unterschiedliche interne und externe Ressourcen zu koordinieren, wie z.B. beim Betrieb der kompletten ERPAnwendungen im Verbund mit Eigenentwicklungen, muss von Fall zu Fall entschieden werden. Die Schnittstellenproblematik fordert häufig gesonderte Entscheidungen (vgl. Abb. 3). 3.2 Stufe 2: Internes oder externes Outsourcing In der zweiten Stufe des Entscheidungsprozesses steht fest, dass Prozesse ausgelagert werden sollen. Dies kann mit externen Partnern oder bei größeren Unternehmen über interne Lösungen, die nach gleichen Prinzipien wie externes Outsourcing strukturiert werden, gelöst werden. Die interne Lösung wird oft auch als Shared Service Center (SSC) bezeichnet. Hinter dem Konzept steht der Gedanke, mehrfach ähnlich genutzte Leistungen im Konzern / Unternehmen zu bündeln und unter marktgerechten Bedingungen (Leistungsqualität, Preise etc.) anzubieten. Externe Provider verlangen meist eine Vertragsbindung von 5-10 Jahren, die für das auslagernde Unternehmen eine geringere Flexibilität mit sich bringt. Interne Dienstleister sind eher im eigenen Sinne zu beeinflussen. Eine Rückverlagerung bei strategischer Neuorientierung oder im Fall des Scheiterns ist leichter möglich. Die zur Klärung der Entscheidung relevanten Kriterien sind: Wie hoch ist die strategische Bedeutung des Prozesses bzw. wie nah ist der Prozess am Kerngeschäft des Unternehmens angesiedelt und wie einheitlich sind die unternehmensinternen Anforderungen, d.h. wie heterogen fallen die Anforderungen der einzelnen Geschäftsbereiche aus? Je näher ein Prozess am Kerngeschäft des Unternehmens angelehnt ist, desto eher ist er ein Kandidat für das interne Outsourcing (SSC). Weniger kritische Prozesse können an externe Provider ausgelagert werden. Sind die Unternehmensbereiche hinsichtlich ihrer Anforderungen sehr heterogen, wird ein SSC-Ansatz keinen Mehrwert liefern können. Im Einzelfall kann ein bereichsspezifisches Outsourcing daher eine Lösung sein. Handelt es sich innerhalb des Konzerns bzw. Unternehmens um heterogene Prozesse mit hoher strategischer Bedeutung, sollte vom Outsourcing-Vorhaben Abstand genommen. Bereichsspezifische Lösungen sind zu präferieren.

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Andreas Gadatsch hoch

Strategische Bedeutung und Nähe des Prozesses zum Kerngeschäft

Internes Outsourcing

Bereichsspezifische Lösungen

(Shared Service Center)

(kein Outsourcing)

Externes Outsourcing

Bereichsspezifisches externes Outsourcing

(Service Provider)

gering hoch

Einheitlichkeit der Unternehmensinternen Anforderungen

gering

Abb. 3. Internes oder externes Outsourcing

3.3 Stufe 3: Nearshore versus Offshore-Outsourcing Zunehmend stellen sich Unternehmen jedoch nicht mehr die Frage, ob sie Teile ihres IT-Spektrums auslagern, sondern in welcher Form sie dieses Vorhaben durchführen. In diesen Fällen stellt sich das Problem einer Investition in klassische Offshore-Standorte wie Indien oder in Nearshore-Standorte wie Irland, Tschechien oder Russland. Kleinere Unternehmen waren in der Vergangenheit eher zurückhaltend, Outsourcing bzw. Offshore-Projekte zu realisieren (vgl. z.B. Krick / Voß, 2005, S. 37). Offshore-Projekte erfordern einen hohen Vorlauf an Planung und Vorbereitung sowie dauerhaft einen hohen Koordinationsaufwand. Nearshore-Projekte sind dagegen auch für kleine Projektumfänge bzw. kleinere Unternehmen eine Möglichkeit, die Auslagerung von ITLeistungen durchzuführen. Diese Entwicklung lässt sich für den Bereich der Auslagerung von Softwareentwicklungstätigkeiten wie in Abb. 4 dargestellt, generalisieren. Große Unternehmen bevorzugen bei der externen Entwicklung von Applikationen mit hohem Interaktionsbedarf und häufigen Updates eher Nearshore-Regionen, da relativ schnell auf Entwickler zugegriffen werden kann und der Dialog direkter abläuft. Typische Beispiele sind IT-Entwicklungsprojekte im Bereich der Telekommunikationsbranche. Anwendungen mit eher langfristigem Charakter, z.B. Bank- oder Versicherungsanwendungen, bei denen längere Updatezyklen die Regel sind, können Nearshore- oder Offshore bearbeitet werden. Kleinere Unternehmen setzen generell eher auf Nearshore-Regionen, da sie typischerweise kleinere Projekte, oft im Unterauftrag, abwickeln und schnell auf die Anforderungen ihrer Kunden reagieren müssen. Applikationen mit hohem Interaktions-


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hoch

Interaktionsbedarf während der Software-Erstellung und Änderungshäufigkeit

Noshore

Nearshore

(Eigenentwicklung)

(Externe Entwicklung)

Nearshore

Offshore oder Nearshore

(Externe Entwicklung)

(Externe Entwicklung) gering gering

Unternehmensgröße

hoch

im Hinblick auf Mitarbeiter, Arbeitsvolumen und Komplexität

Abb. 4. Noshore, Nearshore, Offshore – Standardstrategien für Softwareentwicklung

bedarf werden hier eher im eigenen Haus entwickelt. Nur Applikationen mit geringer Änderungshäufigkeit kommen für Nearshore-Entwicklungen in Frage. Die regionale Auswahl sollte unternehmensindividuell erfolgen, da sich die Rahmenbedingungen permanent verändern.

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Ausblick

An Prognosen für die zukünftige Entwicklung von Outsourcing- bzw. Offshore-Projekten mangelt es nicht. Die international tätige Beratungsgruppe Boston Consulting Group (vgl. Dreischmeier, 2006) sieht in einem global, speziell in den USA und Asien wachsenden Markt, insbesondere ein Zusammenwachsen zwischen IT-Outsourcing und Business Process Outsourcing. Auslagerungsprojekte werden auch einen größeren Umfang als bisher annehmen. Die Ziele der Unternehmen verlagern sich weg von reinen Kostenreduktionsprogrammen hin zur Leistungssteigerung. Mehrere IT-Lieferanten werden gezielt für spezielle Fragestellungen eingebunden. Wie aktuelle Beispiele großer Unternehmen zeigen, kann diese Markteinschätzung jedoch nicht verallgemeinert werden. Gegen diesen Trend hat sich beispielsweise E-Plus für eine komplette Auslagerung der IT an einen einzigen Dienstleister entschieden (vgl. Roewenkamp, 2006, S. 18-19). Als Argument wird die nicht notwendige Vermittlung zwischen verschiedenen Anbietern bei Interessenskonflikten genannt, da die IT-Leistung aus einer Hand erbracht wird. Der dritte Aspekt, der Trend zur Auslagerung von kompletten Prozessen einschließlich der IT-Unterstützung bahnt sich allerdings derzeit erst an. Hierin steckt nach Meinung des Beratungshauses das größte Entwicklungspotenzial.

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Andreas Gadatsch

Literatur Allweyer, T.; Besthorn, T.; Schaaf, J.: IT-Outsourcing: Zwischen Hungerkur und Nouvelle Cuisine. In: Frank, H.-J. (Hrsg.): Deutsche Bank Research Nr. 43 vom 6.4.04, Frankfurt, 2004 Bacher, M.R.: Outsourcing als strategische Marketing-Entscheidung, Wiesbaden, 2000 Boes, A.; Schwemmle, M.: Herausforderung Offshoring, Internationalisierung und Auslagerung von IT-Dienstleistungen, edition der Hans-Böckler Stiftung, Düsseldorf, 2004 Clement, R.; Gadatsch, A.; Juszczak, J., Kütz, M. (Hrsg.): IT-Controlling in Forschung und Praxis, Tagungsband zur zweiten Fachtagung IT-Controlling 21+22.02.2005, in: Schriftenreihe des Fachbereiches Wirtschaft Sankt Augustin, Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg, Band 13, Sankt Augustin 2005 Clement, R.; Gadatsch, A.; Juszczak, J., Krupp, A.; Kütz, M. (Hrsg.): IT-Controlling in Forschung und Praxis, Tagungsband zur dritten Fachtagung IT-Controlling 03.03.2006, in: Schriftenreihe des Fachbereiches Wirtschaft Sankt Augustin, Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg, Band 16, Sankt Augustin 2006 Dreischmeier, R.: Outsourcing Rediscovered – How to create Value from Outsourcing, 12. Handelsblatt-Jahrestagung Strategisches IT-Management, Bonn, 01.02.2006, Vortragsunterlagen Deutsche Bank Research: Offshoring Report 2005, Ready for take off, Nr. 52, Frankfurt, 14.06.2005 Francome, P.: Test Outsourcing – Benefits and Costs (A Practical Approach), in: Best Knowledge for Best Practice in Quality, SQS-Konferenz, Düsseldorf, 10.05.2006, Vortragsunterlagen Friedrich, D.: Top-Nearshoring-Standorte im Vergleich, in: CIO-Magazin, online im Internet http://www.cio.de, Abruf am 03.03.2005a Friedrich, D.: Forrester Research fordert globale Lieferketten. Deutsche Unternehmen sind beim Offshoring zögerlich, in: CIO-Magazin, online im Internet http://www. cio.de, Abruf am 10.07.2005b Gadatsch, A.: IT-Offshore realisieren, Wiesbaden 2006 Kolisch, R.; Veghes-Ruff, O.A., Offshore-Software-Projekte, in: WISU, Heft 07, 2005, S. 917-923. Krick, R.; Voß, S.: Outsourcing nach Mittel- und Osteuropa – neue Chancen für kleine und mittlere Unternehmen, in: Praxis der Wirtschaftsinformatik, HMD 245, Heft 10/2005, S. 37-47 Laabs, K.: Offshore Outsourcing und Co-Sourcing, in: Gründer, T. (Hrsg.): IT-Outsourcing in der Praxis, Berlin 2004, S. 117-129 Roewenkamp, R.: Von Total-Outsourcing haben wir nie geredet. Joachim Depper, CIO bei E-Plus, in: CIO-Magazin, Heft 01/02, 2006, S. 18-19 Ruiz Ben, E.; Claus, R.: Offshoring in der deutschen IT-Branche, in: Informatik Spektrum, Band 28, Heft 1, 2005, S. 34-39


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Winkler, M.: Mit dem Dual Shore Delivery Model, Sprach- und Kulturbarrieren bei ITOffshoreprojekten überwinden, in: Clement et al. (2004, S. 127-136) Winkler, M.: Inkrementelle Softwareentwicklung bei Offshore Projekten, in: Clement et al. (2006) Wullenkord, A.: Praxishandbuch Outsourcing, Strategisches Potenzial, Aktuelle Entwicklung, Effiziente Umsetzung, München 2005

Forschungsprojekt Web 2.0 Erfolgsfaktoren von Communities im Web 2.0 – Entwicklung einer Kommunikationsstrategie Jens Böcker und Britta Classen Fachbereich Wirtschaftswissenschaften Sankt Augustin

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Ausgangssituation und Relevanz des Themas

Der Begriff Web 2.0 ist in der Internetbranche bereits seit 2005 populär, als Tim O´Reilly am 30. September 2005 den Artikel „What is Web 2.0?“ veröffentlichte (O´Reilley 2005). Seit dem Jahr 2007 ist er auch der breiten Masse bekannt und entwickelt sich besonders im Marketing zu einem regelrechten Buzz-Word. Für viele Menschen, die den Begriff Web 2.0 jedoch heute hören und verwenden, ist er nicht wirklich „greifbar“. Wichtig zu wissen ist, dass Web 2.0 weniger die technischen Innovationen des World Wide Web bezeichnet, sondern vielmehr ein verändertes Nutzungsverhalten und eine geänderte Wahrnehmung des Mediums Internet von Seiten der User. Es geht dabei darum, dass Benutzer Inhalte selbst erstellen und bearbeiten und somit sowohl deren Anzahl als auch Qualität in entscheidendem Maße mitgestalten. Große Medienunternehmen als klassische Content-Lieferanten im Internet verlieren im Zuge des Web 2.0 an Einfluss und Bedeutung, da eine neue Generation der Internetuser sich verstärkt mit Hilfe von sozialer Software vernetzt. Ein typisches Beispiel für solche Software sind die sogenannten Wikis. Internetportale wie wikipedia.de verfolgen das Prinzip einer freizugänglichen, kostenlosen „Mitmach-Enzyklopädie“, die sich entwickelt aus der Intelligenz und dem Wissen der Masse, der sogenannten Schwarmintelligenz. Auch Blogs, Fotound Videoportale (z.B. Flickr und YouTube), soziale Online-Netzwerke wie MySpace und studiVZ sowie Social-Bookmarking-Portale wie del.icio.us und die schon seit längerer Zeit bekannten Tauschbörsen sind typische Web 2.0Softwareanwendungen. Besonders im Jahr 2007 kam es zu zahlreichen Unternehmensgründungen auf dem Gebiet der sozialen Online-Netzwerke. Damals wie heute geht nahezu täglich ein Start-Up an den Markt, so dass der Zeitpunkt für ein Forschungspro-

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Jens Böcker und Britta Classen

jekt innerhalb dieser Boom-Phase des Marktes im Winter 2007/2008 ideal war. Die hohe Relevanz des Zeitraums für das Forschungsprojekt zeigte sich deutlich am Verhalten der befragten Unternehmen. Die Start-Ups erwiesen ein sehr großes Interesse an der Studie und wollten wirklich gerne an der Befragung teilnehmen. Möglicherweise lag es daran, dass belastbare Zahlen auf diesem vergleichsweise jungen Markt bis dato nicht vorlagen und die Unternehmen sich einen direkten Benefit von ihrer Teilnahme versprachen. Vorab lässt sich bereits sagen, dass die ausgewerteten Daten einige sehr aufschlussreiche Einblicke in wesentliche Fragestellungen vermitteln, die sich heute für Web 2.0 Start-Ups bei der Vermarktung ihres Angebots sowie beim Aufbau von Communities stellen.

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Zielsetzung und methodisches Vorgehen

Bei der Durchführung der Studie wurden zwei zentrale Zielsetzungen verfolgt: Es sollte zum Einen eine für Web 2.0 Unternehmen geeignete Kommunikationsstrategie entwickelt sowie zusätzlich die wichtigsten Erfolgsfaktoren von Communities identifiziert werden. Hierfür befragten die Studierenden des Schwerpunktfaches Business-to-Business-Marketing 46 Internet-Start-Ups in ausführlichen Interviews. Grundlage des Vorgehens während des gesamten Projektes war das Denken „von außen nach innen“, also eine Analyse des Wettbewerbsumfeldes und der Vermarktungsstrategien von anderen Web 2.0 Plattformen.

Abb. 1. Vorgehen des Projektteams

Für die angestrebte Entwicklung einer Kommunikationsstrategie interessierte besonders, welches die erfolgsversprechenden Kommunikationsinstrumente (Medien, Maßnahmen) sind und inwiefern Online- und Offline-Medien optimal kombiniert werden können. Bezüglich der Erfolgsfaktoren beim Aufbau einer Web 2.0-Community sollte ermittelt werden, welches die zentralen Eigenschaften einer Online-Community sind und welche erfolgreichen Gestaltungselemente und Kundenbindungsinstrumente integriert werden sollten.

Forschungsprojekt Web 2.0

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Ergebnisse der Befragungen

In Zusammenarbeit mit der Freundliche Netzwerke GmbH wurden insgesamt 76 Gespräche geführt und 172 User teilten ihre Meinung über einen Onlinefragebogen mit. Die in den Interviews erfassten Daten wurden bei der späteren Auswertung anonym und streng vertraulich behandelt, sodass keine Rückschlüsse auf einzelne Unternehmen möglich sind. 3.1 Beobachtungsanalyse Bei der Beobachtungsanalyse wurde das Angebot von Features bei vierzehn Communities untersucht, um Alleinstellungsmerkmale und Gemeinsamkeiten zu erkennen. Dabei wurde deutlich, dass sich grundsätzlich zwei Arten von Communities identifizieren lassen: die Social- und die Special-Interest-Community. Die Matrix in Abb. 2 verdeutlicht die klaren Unterschiede und Gemeinsamkeiten: • Special Interest Communities: seriöse Nutzer, Newsletter, Bekanntmachung neuer Features etc. • Social Communities: Fotoalben, Forum etc. • Special Interest und Social Communities: Profilerstellung, Gruppenbildung, Suchfunktion, Leute wiederfinden etc.

Abb. 2. Matrix Beobachtungsanalyse

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3.2 Vermarktung Unternehmen Die Unternehmensbefragung zum Thema Onlinecommunity-Vermarktung ergab bei ungestützter Fragestellung zunächst einen Mix aus Online- und OfflineMaßnahmen. Dabei wurden PR und Kooperationen von den Unternehmen spontan am häufigsten als Vermarktungsmaßnahme genannt. Bei der nachfolgenden gestützten Fragestellung nannten schließlich über 80 % der Unternehmen Mund-Propaganda und PR als eingesetzte Offline-Maßnahme zur Bekanntheitssteigerung ihre Website. Bezüglich der Online-Vermarktung der Unternehmen ergab die Befragung, dass eine zielgruppenfokussierte Onlineansprache beispielsweise über Suchmaschinenmarketing, Newsletter, Keyword Advertising und Blogs deutlich im Vordergrund steht. Virale Videoclips jedoch, die in der Praxis spontan oft als „Muss“ und besonders effektiv angesehen werden, nutzt tatsächlich nur jede dritte der befragten Onlinecommunities. Wie die Studie ergab, werden die verschiedenen Vermarktungsmaßnahmen sowohl online als auch offline von den Unternehmen sehr differenziert betrachtet. Bei den häufig eingesetzten Maßnahmen wie Keyword Advertising, Word of Mouth, Online-PR und Suchmaschinenmarketing ist auch gleichzeitig eine relativ hohe Zufriedenheit mit diesen Maßnahmen vorhanden. Den Vorteil der Onlinevermarktung sehen die befragten Unternehmen eindeutig in der besseren Erfolgskontrolle dieser Maßnahmen. Dies erklärt sich dadurch, dass auf dem Gebiet der Analyse heute hohe technische Standards zur Verfügung stehen, die eine exakte Auswertung der Nutzungsstatistiken bis ins Detail ermöglichen. Zudem setzen die Unternehmen je nach Geschäftsmodell auch eine sehr unterschiedliche Gewichtung ihres Werbebudgets ein. Lediglich knapp ein Drittel wird für Offlinewerbung verwendet. Der Großteil der Investitionssumme wird für die bereits vorgestellten Onlinewerbemaßnahmen eingesetzt. Insgesamt ergänzen sich allerdings die Offline- und Online-Maßnahmen gegenseitig zur Unterstützung der Werbewirkung einer Website. Aus Budgetsicht ist PR mit 25 % des Gesamtbudgets mit großem Abstand das wichtigste Instrument in der Offline-Kommunikation und Keyword Advertising mit 24 % Anteil das wichtigste Instrument der Onlinekommunikation. Die Unternehmensbefragung lieferte aufschlussreiche Daten darüber, welche Weiterempfehlungsanreize die Communities einsetzen, also welche Maßnahmen sie verwenden, um ihre User dazu zu bewegen, die Plattform bei anderen Usern über Mund-zu-Mund-Propaganda weiterzuempfehlen. Es zeigte sich, dass die Unternehmen ihren Nutzern dabei am häufigsten eine kostenlose Mitgliedschaft sowie den Erwerb von Ruhm und Ehre bieten. Abbildung 3 verdeutlicht eine weitere sehr interessante Erkenntnis zu dieser Thematik. Augenscheinlich überschätzten die Unternehmen die von ihnen angebotenen Weiterempfehlungsanreize klar bezüglich deren Akzeptanz bei den Usern. Im Gegensatz zu den Unternehmen sagten die User nämlich, dass für sie alle Anreize außer einer kostenlosen Mitgliedschaft eher unattraktiv sind.


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Abb. 3. Weiterempfehlungsanreize für User

Für Web 2.0 Start-Ups ist es von großer Bedeutung zu wissen, wie eine Weiterempfehlung ihrer Community erzielt werden kann, denn wie sich zeigte gewinnen fast 40 % der Unternehmen bis zu ein Zehntel ihrer neuen User dadurch. Dieser Weg ist demnach besonders effektiv für diese jungen Unternehmen, die innerhalb ihres extrem dynamischen Marktes auf einen raschen Anstieg der Userzahlen angewiesen sind. Ausgehend davon galt ein besonderes Interesse bei der Studie der Evaluation der Höhe der finanziellen Aufwendungen für neue einmalige Besucher, so genannter unique visitor, sowie der Höhe der Marketingausgaben für einen neuen registrierten User. Wie aktuell und brisant die Beantwortung dieser Fragestellung für manch befragtes StartUp war, zeigte sich bereits in Form der hohe Verweigerungsquote dieser Fragestellung: Über 40 % der Befragten konnten oder wollten diese Frage nicht beantworten. Die Auswertung lieferte dann auch deutliche Ergebnisse: Schätzten 40 % der Unternehmen ihre Kosten für einen unique visitor auf lediglich zehn Cent, bezifferten gleichzeitig 83 % der Unternehmen ihre Kosten für neue registrierte User auf bis zu fünf Euro. Diese vergleichsweise hohe Investitionsbereitschaft für die Gewinnung neuer Communitymitglieder ist ein Indiz für die bereits erwähnte hohe Relevanz eines schnellen Wachstums für Start-Ups sowie die Tatsache, dass nur neue Registrierungen den Communities den benötigten Traffic bringen, eine kritische Masse an Nutzern zu übersteigen und sich damit gegen die massiv auf den Markt drängenden Neugründungen zu behaupten. Das Erreichen dieser kritischen Masse an Usern schätzen 35 % der befragten Unternehmen bei 25.000 bis 50.000 Mitgliedern, wobei lediglich die Hälfte der Start-Ups, die an der Studie teilnahmen, zum Befragungszeitpunkt mehr als 10.000 User hatten. Dies ergründet sich großenteils sicherlich darin, dass 75 % der Communities erst seit weniger als einem Jahr auf dem Markt agierten.

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3.3 Erfolgsfaktoren Unternehmen Aus Unternehmenssicht sind die Maßnahmen „hohe Useraktivität“, „gemeinsame Freunde“ und „Selbstdarstellung auf der Plattform“ die wichtigsten Erfolgsfaktoren zur Bindung von Usern. Abbildung 4 zeigt die graphische Auswertung zu dieser Fragestellung, wobei auf der Abszisse die Wichtigkeit (1 = unwichtig bis 10 = sehr wichtig) abgetragen ist und die dargestellten Werte Mittelwerte aus den gegebenen Antworten sind.

Abb. 4. Maßnahmen zur Userbindung

Aus Unternehmenssicht ergab die Studie, dass die Profilerstellung als das TopFeature erachtet wird. Große Unterschiede zwischen der Meinung von Usern und Unternehmen zeigten sich bezüglich des Features „Ignorieren anderer Mitglieder“. Dies erachten die befragten Start-Ups für relativ unwichtig, während Usern die Funktionalität eindeutig wichtig ist. Erwartungsgemäß antworteten beide Befragungsgruppen, dass ihnen ihre Privatsphäre auch innerhalb der Onlinecommunities in der virtuellen Welt besonders wichtig ist. Weiterhin erachten die Unternehmen die Features „Personal Messaging“, „Freundesliste“ und „Benachrichtigungsmail“ als die zentralen Kommunikationsfunktionen. Unterschiedliche Betrachtungen zwischen Unternehmen und Usern zeigen sich vor allem bei „Blogs“, „Grußfunktion“ und „Usertreffen“. Es zeigte sich sehr deutlich, dass die Unternehmen tendenziell die Wichtigkeit von Zusatzfunktionen eines Web 2.0 Portals höher einschätzen als User dies in der Realität tun. Die wichtigste Maßnahme, um Interaktion zwischen Usern herzustellen, ist nach Meinung der Web 2.0 Start-Ups ist die Sicherstellung von Aktualität. Zudem beurteilten sie Matching, also das Zusammenbringen von Usern mit gleichen Interessen / Freunden / Umgebungen, als wirksamstes Feature zur


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stärkeren Vernetzung der User untereinander. Neue Features werden von den Unternehmen maßgeblich über die Newsbox auf der Startseite und Newsletter beworben. Um weiterhin am Markt zu bestehen und wachsen zu können halten 75 % der befragten Unternehmen eine Kooperation zwischen Kontakt-Communities und Special-Interest-Communities für sinnvoll. Im Punkt Kommunikation und Interaktion ist aus Sicht der Start-Ups die Kommunikation mit Freunden das Top-Feature für eine erfolgreiche Community. Die Befragung ergab, dass 70 % der Nutzer in Communities nicht oder nur selten mit Leuten kommunizieren, die nicht ihre Offline-Freunde sind. Gleichzeitig ist der Aspekt, Freunde zu finden und wieder zu finden auch der stärkste Motivator für User, sich aktiv in einer Community zu engagieren. Daraus wird deutlich, dass es ratsam für Start-Ups ist, den Freunde- und Community-Aspekt zu forcierten und darüber einen Wachstum der Plattform zu begünstigen. 3.4 Userbefragung Die Befragung der aktiven Communitynutzer ergab als zentrale Aussage, dass die User das Ausmaß ihrer Privatsphäre unbedingt selbst steuern wollen. 73 % gaben an, dass sie selbst entscheiden wollen, wer ihr Profil einsehen darf und wer nicht. Lediglich 8 % der User wären damit einverstanden, dass alle anderen Nutzer alles sehen dürften (vgl. Abb. 5). Zudem wurde deutlich, dass User nur maximal zwei bis drei Communities aktiv nutzen und dass sie umso aktiver sind, je größer die Community ist.

Abb. 5. Privatsphäre der User

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Befragt nach ihren Top-Features nannten die User Privatsphäre, Profilerstellung, Personal Messaging, Freundesliste, Geburtstagserinnerungen und Suchfunktion. Eher unattraktiv sind aus Usersicht Features wie Belohnungssysteme, Vermittlungsprämie, Ruhm & Ehre, Offline-Events, eigener Blog und Minigames. Es zeigte sich klar, dass der Charakter einer Community für User im Vordergrund steht. Er ist maßgeblich für die Attraktivität und damit auch den Erfolg eines Web 2.0 Start-Ups.

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Fazit und Ausblick

Die Studie lieferte für alle Beteiligten teilweise durchaus überraschende Erkenntnisse darüber, „was Netz-Nutzer wirklich wollen“ und wie weit die Meinung der Communities darüber teilweise von der Wirklichkeit abweicht. Auch über die Grenzen Deutschlands hinweg verursachten die gewonnenen Erkenntnisse in Folge der Berichterstattung über das Forschungsprojekt auf einem der größten deutschen Online-Newsportale ein großes Presseecho, sowohl online wie offline (Schulz 2008). Deutlich zeigte sich, dass das Thema Communities im Web 2.0 viele Menschen interessiert und zuweilen polarisiert. Der Trend der Web 2.0 Applikationen hält entgegen der Befürchtungen vom Platzen der vielbesagten „Web 2.0-Bubble“ an und verspricht eine erfolgreiche Weiterentwicklung in der Zukunft. Erste Schritte in diese Richtung sind schon getan, bedenkt man, dass die Nutzung von Social-NetworkingDiensten bereits von der klassischen Zugangsmethode via stationärem PC auf die mobile Nutzung via Mobiltelefon übergesprungen ist. Begünstigt wird dies durch den technischen Fortschritt auf dem Sektor der mobilen Endgeräte, der den Nutzern eine Vielzahl neuer Gerätefunktionaliäten bietet (Steiner 2008). Die dabei generierten Umsätze haben laut einer Studie des britischen Marktforschungsinstituts Informa Telecoms im vergangenen Jahr die Grenze von 1,5 Mio. Dollar überschritten und für das Jahr 2007 wird eine Verdopplung dieses Wertes erwartet. Die mobile Nutzung von Social-Communities hat sich vielerorts etabliert und besonders in Ländern wie Japan und Südkorea bereits die kritische Masse erreicht. Für das Jahr 2012 prognostiziert die Untersuchung einen Gesamtumsatz in diesem Bereich, der zwischen 28,9 Mrd. und 52 Mrd. Dollar liegen soll (Perey 2008). Der Umsatz mit mobilen Datendiensten wächst konstant und auch die 100 %ige Marktpenetration mit Mobiltelefonen wurde in Deutschland bereits 2006 überschritten. Daher ist es verständlich, dass eine Vielzahl der Akteure im Web 2.0 auch eine Weiterentwicklung des Mediums Internet zum Web 3.0 mit einer Verschmelzung der Handy- und Webtechnologien für durchaus möglich halten. Einer der denkbarsten Ansätze ist, dass das Web zukünftig eine nachfrageorientierte Plattform wird, deren Inhalte durch alle erstellt und geordnet werden. Der im Web 2.0 vorhandenen Informationsflut würde dabei


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über eine weltweite, von Usern bereitete Wissensinfrastruktur, dem sogenannten Semantischen Web, entgegengewirkt. Die Informationsbedürfnisse jedes individuellen Users könnten dadurch berücksichtigt werden (Kollmann 2007). Das Web 3.0 würde gemäß diesem Verständnis von Wahlster und Dengel (2006) die Konvergenz von Web 2.0 und Semantischem Web bedeuten: „Only the combinded muscle of semantic web technologies and broad user participation will ultimately lead to a Web 3.0, with completely new business opportunities in all segments of the ITC market“ (Wahlster u. Dengel 2006, S. 3). Wie und in welchem Ausmaß genau sich das Web allerdings verändern wird, bleibt völlig offen, da das WWW sich in der Vergangenheit wie auch zukünftig letztlich nur durch das Kollektiv „Web“ selbst neu definiert und verändert. Wohin die Entwicklung also letztlich führt bleibt entweder mit Spannung abzuwarten oder als User aktiv mitzugestalten.

Literatur Böcker J (2008) Forschungsprojekt Web 2.0 – Erfolgsfaktoren von Communities im Web 2.0, Entwicklung einer Kommunikationsstrategie. http://fh-brs.de/data/fhbrs_/ fh_brs/die_fach-hochschule/aktuell/news/2008/FH_BRS_Abschlussbericht_Forschungsprojekt_Web_2.0. pdf. Abruf 10.06.2008 Kollmann T (2007) E-Business – Grundlagen elektronischer Geschäftsprozesse in der Net Economy. Gabler, Wiesbaden O´Reilly T (2005) What ist Web 2.0? – Design Patterns and Business Models for the Next Generation of Software. http://www.oreilly.de/artikel/web20.html. Abruf 10.06.2008 Perey C (2008) Press Release: Mobile Social Networking growth accelerates: Revenues could reach US$52 billion by 2012. http://www.informatm.com/itmgcontent/icoms/ s/press-releases/20017504078.html. Abruf 10.06.2008 Schulz S (2008) Was Netz-Nutzer wirklich wollen. http://www.spiegel.de/netzwelt/ web/0,1518, 535020,00.html. Abruf 10.06.2008 Steiner M (2008) Social Networking greift auf das Handy über – Technischer Fortschritt und neue Dienste treiben Entwicklung voran. http://www.pressetext.at/ pte.mc?pte=080306033. Abruf 10.06.2008 Wahlster W, Dengel A (2006) Web 3.0 – Convergence of Web 2.0 and the Semantic Web. In: Technology Radar Feature Paper Edition II/2006, S 2-22. Deutsche Telekom Laboratories

Teil 2: Fachbereich Informatik

Generelles Ziel des Fachbereichs Informatik ist die Vermittlung von anwendungssystemunabhängigen Konzepten, Methoden, Techniken und Verfahren der Informatik. Die Studierenden erhalten dadurch ein zeitinvariantes Rüstzeug für die Mitarbeit an der Lösung komplexer Problemstellungen in nahezu allen Anwendungsbereichen sowie die Fähigkeit, nicht nur den technologischen Wandel nachvollziehen sondern diesen auch aktiv mit gestalten zu können. Die Informatik entwickelt sich sowohl in ihren theoretischen und wissenschaftlichen Grundlagen als auch bei den Technologien ständig weiter. Eine Lehre, welche die Studierenden darauf vorbereiten soll, diese Grundlagen bei der Lösung komplexer Probleme adäquat einzusetzen und weiter zu entwickeln, kann dieses nur erreichen, wenn Lehrende und Studierende an Forschungs- und Entwicklungsprojekten mitarbeiten. Eine Grundlage für die Gestaltung einer entsprechenden Lehre sind umfangreiche und erfolgreiche Aktivitäten vieler Professorinnen und Professoren des Fachbereichs bei der Akquirierung und Durchführung von Forschungs- und Entwicklungsprojekten. Auf den folgenden Seiten wird über eine Reihe dieser Aktivitäten im Überblick und zusammenfassend berichtet. Die meisten dieser Projekte finden in Kooperation mit anderen wissenschaftlichen Institutionen sowie mit vielen Firmen in der Region und darüber hinaus statt. Viele Studierende sowohl in den Bachelor- als auch in den Master-Studiengängen haben dadurch während ihres Studiums, insbesondere in den Abschlussarbeiten, die Möglichkeit bekommen, sich mit aktuellen und in die Zukunft gerichteten Fragestellungen zu beschäftigen und an deren Lösung durch Entwicklung von neuen Konzepten, Verfahren und Methoden mitzuarbeiten. Die Studierenden erhalten dadurch Kompetenzen, die sie für den Arbeitsmarkt attraktiv machen, und die in den Projekten gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnisse und das neue technische Know how fließen über die Professorinnen und Professoren in die Lehre mit ein. Eine vergleichsweise hohe Anzahl von Absolventinnen und Absolventen hat an Universitäten im In- und Ausland Möglichkeiten zur Promotion bekommen. Der Fachbereich hofft, dass sich zukünftig Kooperationen mit Universitäten ergeben, in denen die Professorinnen und Professoren des Fachbereichs als gleichberechtigte Partner in Promotionsverfahren fungieren können. Dann könnten die Promotionen unmittelbar in den Projekten des Fachbereichs stattfinden, wodurch die Forschungs- und Entwicklungskompetenz des Fachbereichs weiter gestärkt werden würde. Bei allen diesen Aktivitäten ist der Fachbereich von Prof. Dr. Wulf Fischer immer wieder ermuntert und unterstützt worden. Er stand stets mit Rat und Tat an unserer Seite und hat sich sehr dafür eingesetzt, dass Fachhochschulen neben Kompetenz und Erfolg in der Ausbildung von Studierenden Kompetenz und Erfolg in der Akquirierung und Durchführung von Forschungs- und Entwicklungsprojekten bekommen und weiter entwickeln. Er hat uns bei der Suche nach Kooperationspartnern unterstützt und bei der Gestaltung von

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Teil 2: Fachbereich Informatik

Kooperationen hilfreich zur Seite gestanden. Der Fachbereich bedankt sich herzlich dafür und wünscht Herrn Fischer alles Gute. Prof. Dr. Kurt-Ulrich Witt, Dekan des Fachbereichs

Entwicklung eines elektronischen Mutterpasses G. Noelle1,2, R. Herpers1,3, D. Hellmuth2 und R. Christ-Köhler2 1

Fachbereich Informatik

2

InterComponentWare AG, Walldorf

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York University, Department of Computer Science, Toronto, Canada

Der Mutterpass wurde als wichtiges Vorsorgeinstrument für Schwangere Anfang der sechziger Jahre in Papierform eingeführt. Er wird bei 90 % aller Schwangerschaften genutzt. Seit seiner Einführung im Jahre 1968 hat jedoch die Komplexität der Vorsorgeuntersuchungen zugenommen, wie auch die Begleitumstände einer Schwangerschaft häufig komplexer geworden sind. Dies war Anlass dafür, die elektronische Abbildung des Papier basierten Mutterpasses zu entwickeln, um den gewachsenen Anforderungen der medizinischen Dokumentation und Evaluation gerecht zu werden. Eine große Herausforderung bei der Konzeption und Entwicklung des elektronischen Mutterpasses war dabei die Definition eines strukturierten und maschinenlesbaren Austauschformates. Darüber hinaus mussten weltweit neue eindeutige Identifier entwickelt werden, um den Mutterpass elektronisch abzubilden. Nach der prototypischen Realisierung einer vollständigen Version wurde im Frühjahr 2008 die Pilotierung in der Metropolregion Rhein-Neckar begonnen.

1

Einleitung

Seit seiner Einführung Anfang der sechziger Jahre ist der Mutterpass in Deutschland ein wichtiges Vorsorgeinstrument für Schwangere. Im Rahmen der gesetzlich vorgeschriebenen Vorsorgeuntersuchungen [4] werden in ihm relevante Daten wie Erb- und Immunschwächekrankheiten der Mutter, Informationen über den Zustand des Ungeborenen wie Lage, Gewicht und Größe sowie weitere Risikofaktoren der Schwangerschaft über deren gesamten Verlauf erfasst und dokumentiert. Die neonatale Mortalität sank zwar seit Einführung des Mutterpasses von 35 auf 5 pro 1000 Neugeborenen, aber das durchschnittliche Alter der Schwangeren ist ansteigend und beträgt derzeit im Mittel 30 Jahre. Damit

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G. Noelle et al.

verbunden ist ein erhöhter Anteil an Risikoschwangerschaften bei entsprechender, zum Teil auch lifestyle- und ernährungsbedingter [13] Zunahme von Begleiterkrankungen der Schwangeren. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl von Erkrankungen, die aufgrund verbesserter Behandlungsmethoden heute keine absolute Kontraindikation mehr für eine Schwangerschaft darstellen, aber dennoch eine Schwangerschaft mit erhöhtem Risiko und medizinischem Kontrollbedarf bedeuten. Die Fortschritte der Reproduktionsmedizin und deren gehäufte Anwendung stellen darüber hinaus ein erhöhtes Risiko für zahlreiche geburtshilfliche Outcomeparameter wie Aborte oder fetale Wachstumsrestriktionen dar. Trotz gesunkener neonataler Mortalität steigt die Rate der Frühgeborenen kontinuierlich auf derzeit fast 9 % [1] an. Der Mutterpass als Dokumentationsinstrument hat somit gerade für die Risikoschwangerschaft eine zunehmende Bedeutung. Der Mutterpass wird derzeit von 90 % der Schwangeren genutzt; die 10 % Schwangeren, die ihn nicht nutzen, sind überwiegend Ausländerinnen ohne Deutschkenntnisse [10]. Während der medizinische Fortschritt, insbesondere auch im Bereich der Diagnostik, mit den gewachsenen Anforderungen an eine gute Schwangerenbetreuung in den letzten Jahren stetig zugenommen hat, wurde die Dokumentation der Ergebnisse dieser neuen Untersuchungsmethoden im Mutterpass bisher nicht berücksichtigt. Da insbesondere Risikoschwangerschaften einer stringenten multidisziplinären Behandlung bedürfen, reicht der Mutterpass in seiner derzeitigen Papier basierten Form nicht aus, um alle erforderlichen Parameter zu erfassen und zu dokumentieren. Außerdem ist der interdisziplinäre Austausch der Daten des Mutterpasses insbesondere zu Qualitätssicherungszwecken in der derzeitigen Form umständlich, fehleranfällig und sehr arbeitsintensiv. Dies motiviert, den Mutterpass – mit erweiterten Möglichkeiten – elektronisch abzubilden.

2

Vorteile eines elektronischen Mutterpasses

Während heute bereits sowohl in den gynäkologischen Praxen als auch Kliniken größtenteils EDV für die medizinische Dokumentation zum Einsatz kommt [8], erfolgt die Dokumentation der Daten im Mutterpass manuell und redundant zur elektronischen Dokumentation. Bei der interdisziplinären Betreuung einer Schwangeren müssen die Daten jeweils wieder neu erhoben werden und aus dem Mutterpass in die jeweilige EDV übertragen werden. Beim Verlust des Mutterpasses muss dieser erneut ausgestellt werden, was bedeutet, ggf. weit über 200 Parameter und Items erneut zu erfassen. Die elektronische Abbildung des Mutterpasses bedeutet somit zunächst einmal die Vermeidung von Medienbrüchen, wie sie auch sonst im Gesundheitswesen heute noch in weiten Teilen zu finden sind. In einer elektronisch abgespeicherten Form ist der Mutterpass jederzeit als Dokument reproduzierbar und kommunizierbar. Sind die darin enthalten Informationen strukturiert und in maschinell lesbarer Form abgelegt, ist es auch

Entwicklung eines elektronischen Mutterpasses

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möglich, die an einer Stelle erfassten Daten an anderer Stelle weiter zu verarbeiten, etwa wenn die Schwangere von verschiedenen Einrichtungen behandelt und betreut wird. Die Daten lassen sich zudem für Statistiken und wissenschaftliche Fragestellungen auswerten. Auch können die Daten im Rahmen einer leitlinienkonformen Behandlung für Clinical Decision Support verwendet werden. Im Falle einer weiteren Schwangerschaft können anamnestische Teildaten aus dem vorhergehenden Mutterpass übernommen werden. Weiterhin sind Teile des Mutterpasses identisch mit Teilen des Kinderuntersuchungsheftes [3, 5] und könnten, wenn dieser auch elektronisch vorläge, automatisiert überführt werden. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl anamnestischer Daten und Laborscreeninguntersuchungen, die zwar zum Standard der Vorsorge gehören, aber nicht Bestandteil des derzeitigen Papier basierten Mutterpasses sind. Selbstverständlich sollten diese Informationen der Schwangeren und weiteren an der professionellen Betreuung der Schwangern beteiligten Personen nicht vorenthalten bleiben.

3

Technische Umsetzung

Im Rahmen der technischen Umsetzung wurde eine Dokumentationssoftware für medizinisches Personal entwickelt, die sich in der graphischen Benutzeroberfläche weniger an dem Papier basierten Mutterpass orientiert, sondern vielmehr den Arzt oder der Hebamme prozessoptimiert bei der Dokumentation aller die Schwangerschaft betreffenden Daten unterstützen soll (Abbildung 1). Die Software ist eine Client-/Serveranwendung und wurde mit C-Sharp (C#) entwickelt. Als Datenbank dient der Microsoft SQL-Server. Die Software ist stand-alone lauffähig und verfügt über eine eigene Patientenverwaltung und kann etwa die Krankenversichertenkarte (KVK) nach Vorgaben der Kassenärztlichen Bundesvereinigung [7] lesen und aufbereiten. Sie verfügt auch über Schnittstellen [12] zu den bestehenden Praxis-EDV-Programmen, etwa zur Übernahme der Patientenstammdaten und Versicherteninformationen. Zusätzlich besteht eine Schnittstelle zu der elektronischen Gesundheitsakte LifeSensor1, die analog zum Mutterpass in der Hand der Schwangeren als digitale (Austausch-) Plattform für persönliche Gesundheitsinformationen dient. Die Daten, die nun lokal in der Dokumentationssoftware erfasst und gespeichert werden, können in die persönliche Gesundheitsakte der Schwangeren eingestellt werden. Die elektronische Gesundheitsakte wird von der Schwangeren selbst administriert, das heißt, die Schwangere bestimmt selbst, welche Ärzte, Hebammen und Kliniken Zugriffe auf welche der dort abgelegten Informationen erhalten (können). Die Informationen selbst können zwar durch die Schwangere als Ganzes gelöscht werden, sind aber durch sie nicht mani1

Siehe auch unter http://www.lifesensor.com. Accessed 06 June 2008.

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G. Noelle et al.

Abb. 1. Screenausschnitt der Dokumentationssoftware für den elektronischen Mutterpass in der Arztpraxis

pulier- oder änderbar. Damit wird dem Recht auf informationelle Selbstbestimmung einerseits und freie Arztwahl andererseits Rechnung getragen. Innerhalb der Gesundheitsakte werden die Daten für die Schwangere so aufbereitet, dass sie diese als Mutterpass in der gewohnten Ansicht als PDFDokument aufrufen, speichern und drucken kann. Die Daten selbst liegen als strukturierte und maschinenlesbare Informationen vor. Dadurch ist es möglich, die Daten zwischen verschiedenen Leistungserbringern auszutauschen und weiter zu verarbeiten. Über die Gesundheitsakte LifeSensor werden die Daten dann jeweils aktualisiert und synchronisiert. Neben den reinen Messund Untersuchungsdaten können auch Ultraschallbilder oder CTG-Kurven abgelegt bzw. im Mutterpass angezeigt werden. Diese werden als Multimediaobjekte innerhalb des Datensatzes referenziert. Die grafische Darstellung von Perzentilkurven und anderen Messwertreihen über den Schwangerschaftsverlauf werden aus den gespeicherten Messdaten errechnet und grafisch aufbereitet.


4

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Kommunikationsstandard

Eine der größten Herausforderungen bei der Umsetzung des elektronischen Mutterpasses war die Auswahl und Definition eines geeigneten Datenspeicher- und Austauschformats. Dieses muss sowohl für die Visualisierung und Aufbereitung des Mutterpasses in bekannter Form als auch für die maschinelle Weiterverarbeitung geeignet sein, da die im Rahmen einer Schwangerschaftsuntersuchung erfassten Daten auch späteren Anwendungen zur Verfügung stehen sollen, um Doppeluntersuchungen oder -erfassungen zu minimieren. Weiterhin muss der inhaltliche Kontext der gespeicherten Daten so gewahrt bleiben, dass Syntax und Semantik jederzeit eindeutig interpretiert werden können. Die Umsetzung erfolgte daher mit Hilfe der Clinical Document Architecture (CDA) Release 2. CDA ist ein internationaler XML-basierter Standard als Teil der Health Level 72 (HL7) Version 3, der die Struktur und die Semantik von Dokumenten spezifiziert, die im medizinisch, klinischen Kontext für den Datenaustausch eingesetzt werden. Bei einem CDA-Dokument handelt es sich um ein definiertes und komplettes Informationsobjekt, das sowohl Texte als auch Bilder, Klänge und andere multimediale Objekte enthalten kann. Für CDA gilt der Grundsatz, dass der gespeicherte Inhalt von der Darstellung getrennt ist. Wie bei XML bieten sich durch dieses Prinzip für CDA vielfältige Weiterverarbeitungsmöglichkeiten. So können über Transformationen mittels XSLT und XSL FO HTML- und PDF-Files für die Visualisierung und Druckausgabe innerhalb der Gesundheitsakte LifeSensor generiert werden. Darüber hinaus ist es mit geringem Aufwand möglich, eine mehrsprachige Ausgabe des Mutterpasses bereitzustellen. Ein CDA-Dokument ist in zwei Abschnitte aufgeteilt. Im Header sind alle relevanten Metainformationen wie Datum, Version, Dokumententyp, Autor, Adressat und Patient enthalten, während der Body die eigentlich medizinischen Informationen vorhält. Der CDA-Standard ist in Deutschland schon seit einigen Jahren gesetzlich vorgeschrieben. So wird er bereits im Bereich der Disease Management Programme (DMP) eingesetzt3; darüber hinaus existieren klinische Anwendungsfälle wie etwa der VHItG-Arztbrief [9]. Während der Header weitgehend standardisiert ist und spezifische Anpassungen für die Abbildung der Mutterpassdaten nicht notwendig waren, mussten die Definitionen für die Abbildung der medizinischen Daten weitgehend neu spezifiziert und erstellt werden. Der CDA-Standard gibt dabei nur strukturelle und syntaktische, aber keine semantischen Rahmenbedingungen vor. Insbesondere die hierfür erforderlichen terminologischen Codesysteme mussten selbst festgelegt werden, da die sonst geläufigen nationalen und in2

Siehe auch unter http://hl7.org. Accessed 06 June 2008.

3

Siehe auch unter XML-Schnittstellen auf http://www.kbv.de/ita/4287.html. Accessed 06 June 2008.

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G. Noelle et al.

ternationalen medizinischen Codesysteme wie die International Classification of Diseases (ICD 10)4, der Operationen und Prozedurenschlüssel (OPS)5 oder die Logical Observation Identifiers Names and Codes (LOINC)6 die abzubildenden Sachverhalte des Mutterpasses nur unwesentlich berücksichtigen. So mussten innerhalb des Codesystems alle Untersuchungen und die Ausprägungsformen der Untersuchungsergebnisse codiert werden, um eine eindeutige Identifikation der Parameter im Sinne einer maschinenlesbaren Form zu gewährleisten. Dabei werden Untersuchung und Ergebnis innerhalb eines CDA-Dokumentes im Wesentlichen als Name-Wert-Pärchen verstanden, bei der das Item über einen weltweit eindeutigen Identifier (ObjectIdentifier, OID) identifiziert wird, mit dem verschiedene Ausprägungsformen als Codes eindeutig verknüpft sind. Für das Gesundheitswesen ist in Deutschland das Deutsche Institut für Medizinische Dokumentation und Information (DIMDI) in Köln als dem Bundesgesundheitsministerium nachgeordnete Behörde für die Verwaltung der OID’s zuständig7. Hierzu wurde im Rahmen der Arbeiten des elektronischen Mutterpasses eine so genannte Root-ID beantragt, unter der alle im Mutterpassprojekt verwendeten OID’s abgebildet werden. Die Definition des Speicher- und Austauschformates für das Mutterpassprojekt wurde von D. Hellmuth 2007 erstellt [6].

5

Pilotierung und wissenschaftliche Evaluierung

Nach Fertigstellung der Entwicklungen und umfangreichen Tests der ersten Version begann am 16.4.2008 eine offizielle Pilotierung in der Metropolregion Rhein-Neckar in 10 Arztpraxen mit 10 Gynäkologen, der Universitätsklinik Heidelberg sowie 2 weiteren Krankenhäusern [11]. Bei den Projektteilnehmern wird in der lokal installierten Dokumentationssoftware der Mutterpass für die Patientinnen erstellt und editiert. Die Daten des Mutterpasses werden dann zentral über die Gesundheitsakte LifeSensor der Schwangeren gespeichert und synchronisiert. Das auf 12 bis 15 Monate angelegte Pilotprojekt ist auf die Aufnahme von 200 Schwangere projektiert, wobei nach zwei Monaten bereits 50 Personen aufgenommen sind. Das Pilotprojekt wird von einer Erwartungs- und Nutzenevaluation begleitet, die von der Firma FB+E8 in Berlin durchgeführt wird. FB+E 4

Siehe auch unter http://www.who.int/classifications/apps/icd/icd10online/. Accessed 06 June 2008.

5

Siehe auch unter http://www.dimdi.de/static/de/klassi/prozeduren/ops301/opshtml 2008/fr-ops.htm. Accessed 06 June 2008.

6

Siehe auch unter http://loinc.org/. Accessed 06 June 2008.

7

Siehe auch unter http://www.dimdi.de/static/de/ehealth/oid/index.htm. Accessed 06 June 2008.

8

Forschung, Beratung + Evaluation GmbH Siehe auch unter http://www.fb-e.de/. Accessed 06 June 2008.


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ist Herausgeber des bekannten BabyCare Vorsorgeprogramms [2], das Schwangeren eine individuelle Analyse ihrer Ernährung und ihres Lebenswandels mit Empfehlungen für einen gesunden Verlauf der Schwangerschaft bietet.

6

Zusammenfassung und Ausblick

Es gibt eine Vielzahl von Untersuchungsmethoden, die heute zum Standard der Schwangerschaftsvorsorge in Deutschland gehören, aber bislang nicht im Mutterpass erfasst werden. Die optimale Betreuung von Schwangeren erfordert darüber hinaus immer mehr interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Leistungserbringergruppen bei sich ändernden gesundheitlichen Rahmenbedingungen der Schwangeren wie Alter und Begleiterkrankungen. Die Entwicklung einer elektronischen Abbildung des bisherigen Papier basierten Mutterpasses bietet hinsichtlich der Datenverfügbarkeit und -qualität viele Vorteile. Nach einer 2-jährigen Konzeptions- und Entwicklungsphase wird der elektronische Mutterpass nun seit einigen Wochen in einer Pilotierung getestet und seine Akzeptanz bei Ärzten und Schwangeren wissenschaftlich evaluiert. Parallel dazu wurde bereits mit der Entwicklung eines elektronischen Kinderuntersuchungshefts zur Abbildung der U1-U10 Früherkennungsuntersuchungen bei Kindern und Jugendlichen im Zusammenhang mit einem elektronischen Impfbuch begonnen. In diesen sollen dann die Daten für die U1Untersuchung automatisch aus dem Mutterpass der Mutter fließen können. In der Gesundheitsakte LifeSensor wird dazu an dem Modell einer übergreifenden elektronischen Familienakte gearbeitet. Eine der größten Herausforderungen war die Entwicklung des CDAkonformen Schemas zum Speichern und elektronischen Austausch der Mutterpassdaten mit über 200 verschiedenen Parametern, die zum Teil zu mehreren Zeitpunkten während der Schwangerschaft mehrfach erhoben und dokumentiert werden. Nach erfolgreicher Pilotierung des Projektes und ggf. erforderlichen Anpassungen und Erweiterungen sollen die dabei entwickelten Codetabellen und Definitionen publiziert werden, um auch durch andere Softwarehersteller im Gesundheitswesen unterstützt zu werden. Das in der Metropolregion Rhein-Neckar begonnene Pilotprojekt hat mittlerweile weltweit Aufmerksamkeit bei Krankenkassen und öffentlichen Gesundheitseinrichtungen erreicht9. Es gibt konkrete Überlegungen, ähnliche Aktivitäten in der Schweiz und in Österreich zu starten.

9

Siehe auch unter “Development of a Digital Maternity Record for the German Healthcare System “ anlässlich des Kongresses “Towards the Eletronic Patient Record (TEPR)” 2008 in Fort Lauderdale. http://www.medrecinst.com/pdf/TEPR2008_ Brochure_final.pdf. Accessed 06 June 2008.

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G. Noelle et al.

Acknowledgments Die Autoren danken Frau Dr. med. Susanne Hoischen und Herrn Dr. med. Thomas Waller für ihren Einsatz bei der konzeptionellen und inhaltlichen Betreuung sowie der Umsetzung des Projektes.

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FIVIS – Bicycle Simulator in the Immersive Visualisation Environment “Immersion Square” R. Herpers1,2,3, W. Heiden1,2, M. Kutz1, D. Scherfgen1, U. Hartmann4, J. Bongartz4, and O. Schulzyk4 1

Department of Computer Science

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Square Vision AG, Köln, Germany

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RheinAhrCampus, Koblenz University of Applied Sciences, Department of Mathematics and Technology, Remagen, Germany

The objective of the FIVIS project is to develop a bicycle simulator which is able to simulate real life bicycle ride situations as a virtual scenario within an immersive environment. A sample test bicycle is mounted on a motion platform to enable a close to reality simulation of turns and balance situations. The visual field of the bike rider is enveloped within a multi-screen visualisation environment which provides visual data relative to the motion and activity of the test bicycle. That means the bike rider has to pedal and steer the bicycle as a usual bicycle, while the motion is recorded and processed to control the simulation. Furthermore, the platform is fed with real forces and accelerations that have been logged by a mobile data acquisition system during real bicycle test drives. Thus, using a feedback system makes the movements of the platform match to the virtual environment and the reaction of the driver (e.g. steering angle, step rate).

1

Introduction

For almost all modern means of transportation (car, train, airplane) driving simulators exist that provide realistic models of complex traffic situations under defined laboratory conditions. For many years, these simulators have been successfully used for drivers’ training and education and as a consequence have considerably contributed to the overall travel safety. Unfortunately, there is no such advanced system for bicycles, although the number of bike

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R. Herpers et al.

Fig. 1. 3D model of the hardware setup of the FIVIS research project composed of a 6 DOF motion platform with a sample bicycle and a three screen visualisation environment based on the Immersion Square Technology.

accidents has been increasing against the common trend of other vehicles (Source: Federal Statistical Office). Hence the objective of this project is to develop a bicycle simulator which is embedded within an immersive visualisation environment. For this purpose the bike is mounted on a motion platform with six degrees of freedom (DOF) that enables a semi-realistic simulation of riding turns, different track surfaces and additional external forces acting on the bike. Test rides with a measuring bike equipped with different sensors will provide the necessary data for the simulation. An immersive visualisation environment has been developed based on the Immersion Square Technology [5, 6, 7]. The operator’s entire visual field is enveloped within a multi screen visualisation environment, thereby supporting an “immersive” presence for the user as being part of a computer generated virtual environment. This virtual environment is used e.g. to simulate traffic situations or any other realistic environments for virtual bicycle rides. Within those environments different basic visual stimuli can be specifically added and manipulated, offering the possibility to examine the impact of visual perception on physical and mental performance under controlled conditions. The influence of visually perceived motion and physically generated

FIVIS – Bicycle Simulator in the Immersive Visualisation Environment

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motion can therefore be studied independently. Apart from traffic education this offers a number of further interesting scientific application areas. One option might be studies in detail how operators might react under physical and cognitive stress factors. For occupational safety testing no comprehensive model exists so far which allows such concurrent testing conditions. Moreover, one can investigate how far the practicing behaviour of professional athletes like bicycle riders can be manipulated by visual stimuli. One commercial application scenario is to develop an ergometer or a physical practicing device which motivates the operator by related visual stimuli to improve or control physical activity.

Fig. 2. Test setup of the Pragolet s.r.o. – Motion platform with six degrees of freedom (left). Data-Recording-System attached to the bicycle frame (right).

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Simulation of Physical Laws by a Hydraulic Platform

All bicycle simulators or rather ergometers in the market share the common disadvantage of the bike being rigidly attached to the ground. Simulating the dynamics of a close to reality bicycle ride is only possible by using a motion platform with integrated force feedback control. To develop this technology is one of the major objectives of this project. Therefore a 6 DOF motion platform has been integrated into the system design. The platform known as a Hexapod or Stewart Platform together with the mounted bicycle is shown in Fig. 2 (left). Forces calculated by the simulator need to be transferred (and presented audiovisually) to realistic forces which influence the motion platform and the bike (force feedback). Movement along the lateral axis of the bike frame is

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R. Herpers et al.

necessary to give the impression of going downhill and can further, if applied skilfully, serve for the simulation of acceleration and deceleration forces. With short crushes or vibrations on the bike’s suspension, different road surface can be imitated. Finally, for an effective training, it is particularly necessary to adjust the pedalling resistance by software. 2.1 Control and Evaluation of Sensory Data of the Steering Angle Performance Parameters Logging of the mobile measurement data is currently organised with a mobile data recording system for bicycles [1]. The idea is to detect what kind of stress occurs on itemised components, for instance on the frame, the fork or on the handle bar while riding the bike. For this purpose diverse sensors are attached to a mountain bike with suspension fork. A displacement transducer at the suspension fork measures the swept volume. By means of these measurement data it is possible to assert whether or not the provided travel of the fork is ideally used. Furthermore it is interesting to know to what extent different adjustments of the suspension fork (spring stiffness, attenuation) affect the characteristic curve of the spring. Strain gauges on the handle bar and front end capture forces during a ride. An acceleration sensor synchronically measures the vertical acceleration of the frame. In the FIVIS project this information is used to verify if the movements modelled by the motion platform conform to a real bicycle ride. The entire electronic measurement equipment and the storage battery are located inside a splash-proof box of acrylic glass that is fixed within the triangle of the bike frame (see fig. 2 right). Furthermore, the bike is furnished with a power measuring device, which by the use of torsion sensors, captures the forces that are applied to the pedals. The sensors attached to the bike platform need to collect various input data, which is required for the control of the virtual bike. The frequency and force of pedalling must be registered as well as the position of the handle bar and the inclination of the whole bicycle frame. A mathematical model of the dynamics of the bike has been designed. The mechanics of the bike is transformed into components of modelling software that support the solution of the underlying differential equations. One result is the definition of stationary states of the bike providing important information for the setup of the motion platform. The computer bike model is generated on the basis of the research of Franke et al. [3].

3

Immersive Visualisation Environment (VE)

For the visual simulation of the riding ambiance, an immersive effect has been evoked based on special projection data and a multi-screen visualisation environment completely covering the operator’s visual field. As soon as the


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entire visual field of an operator is enveloped within a seamlessly joined projection environment the operator is able to immerse with all his senses into a virtual world. This effect is well known and has been exploited since the early developments of the CAVE technology [9]. For the FIVIS research project a very cost effective immersive visualisation technology called Immersion Square has been applied and adapted to the needs of the projects [5, 6, 7]. A rear projection screen system has been manufactured consisting of three screens (dnp Alpha Screen) of the size of 1361mm width x 1021mm height (see figs 1, 4). The screens are seamlessly joined preventing a frame effect at the edges of the individual screens. The multi-screen projection system is set up in a 120° configuration, although the software design allows for a wide range of angular setups. Due to the Fresnel lens technology applied to the screen material sharp and crisp images with high contrast can be obtained. The computer-generated data are projected with three standard rear screen projection units (XGA resolution), which are hidden in the projection modules together with mirrors (see figs. 1, 4). The underlying design principle of the Immersion Square software is to support standard rendering tools and to extend these available 3D visualization solutions to applications in VEs. Therefore, software patches for several rendering solutions have been developed, which enable a distributed and synchronised visualization on multiple screens. A so-called GL-Wrapper software layer [2] has been introduced that enables the display of perceptively corrected multiple views of a 3D scene. The GL-Wrapper ‘re-uses’ render instructions and data generated by existing standard applications. The data is ‘captured’ from the OpenGL API and modified if necessary in various ways to e.g. render views with adapted perspectives for an angular multi-screen setup anaglyph stereo (red-cyan) views. This technology can increase performance and compatibility to standard applications compared to existing cluster approaches while presenting a low-cost solution. The GL-Wrapper technology has been extended to DirectX based rendering solutions, so that most of the PC driven rendering solutions can be applied to the FIVISquare system. The Immersion Square and FIVISquare software has been developed in C++ on a Windows platform. It is therefore completely Windows-compatible and can be integrated directly within a huge range of PC-based networks. 3.1 Application of (Re-)active and Cognitive Software Agents One of the applications of the FIVIS project will be traffic education which motivates the development of a traffic simulation model. The traffic simulator should be capable of presenting realistic visual data of a sample urban traffic scenery. The traffic participants are modelled as software agents. They should show realistic behaviour which also includes to choose a reasonable reaction to the user’s actions even if they are irregular.

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R. Herpers et al.

Fig. 3. Sample representation of a urban street network overlaid with a directed graph (image source of Google maps).

An important detail of our agent implementation is that agents do not calculate their position all the time. For our application this is not necessary because the user is only able to see a limited view of the entire urban traffic scene. Instead the time of the last calculation and the position at that time is stored. If the position of an agent is needed again the agent calculates where it assumes to be by the elapsed time. This way the traffic simulation should be able to meet the runtime requirements even for larger urban environments with a considerable number of participating agents. Agent information is computed and processed only if actually affecting the user. A rough idea where an agent might be is given by its pre-calculated route: the agent registers itself at every part of its route giving the earliest time that it could be there. The agent removes the registration as soon as it is updated and notices that it already has passed the part of its route. Regarding the navigation of the agents through the traffic network no optimal routes are necessary since the user will not notice the difference anyway. Therefore an A* algorithm is used [8]. The human factor definitely has a strong impact on the traffic behaviour. For instance some car drivers may keep a wide security distance while others almost touch the bumper of the next one. These impacts of the human factor are addressed by a "human" component of the agents. The "Big Five" personality traits [4] that describe the major traits of the human character are openness, conscientiousness, extraversion, agreeableness, and neuroticism. The individual "interpretation" of the traffic rules relies mainly on these features e.g. gap acceptance or acceleration behaviour. Another important group of attributes to simulate the behaviour of a traffic participant are mechanical or physical features like width, height, length, weight, speed, maximum acceleration, etc. They constraint the agents’ options


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Fig. 4. Setup of the FIVISquare visualisation environment with a test bicycle on static ground as presented at the Hannover Industrial Fair 2008.

as it might be too high to get into a tunnel or to heavy to cross a bridge. Again these semantically connected attributes of the agent are packed in a separate component called "mechanical". An urban traffic network can be described as a directed graph where edges represent paths while nodes represent junctions and goals for the agents. A path refers to a street as well as to a pavement or a bicycle path. The logical difference between these kinds of paths is the choice of agents that may travel on it. Smart software components have been developed to create an as realistic as possible situation of traffic (simulation of virtual road users) within an educational scenario, but when modelling a training mission, they can also present a competitor on the immersive visualisation screens.

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Conclusions

A prototype of a bicycle simulator is under development which opens up new and very challenging scientific research areas. Studies in this environment could be used to develop a comprehensive model for occupational safety testing. Moreover, one can investigate how far the practicing behaviour of professional athletes (e.g. bicycle riders) can be manipulated by visual stimuli.

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R. Herpers et al.

It is unclear so far how an operator would react if the perceived velocity is higher or slower than the expected physical velocity. Only few is know in which range a human would accept the visually perceived velocity in relation to the expected physical one. Therefore, FIVIS should serve for road safety education, for work safety prevention purposes, and for specific simulations of visual information under simultaneous physical exercise in the future. Acknowledgements The authors gratefully acknowledge the financial support of the BMBF-FH³ program "Angewandte Forschung an Hochschulen im Verbund mit der Wirtschaft"; project “FIVIS” grant:1736A05.

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Visual Computing an der FH Bonn-Rhein-Sieg Wolfgang Heiden1, Rainer Herpers1,2 und André Hinkenjann1 1


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„Visual Computing“ (VC) fasst als hochgradig aktuelles Forschungsgebiet verschiedene Bereiche der Informatik zusammen, denen gemeinsam ist, dass sie sich mit der Erzeugung und Auswertung visueller Signale befassen. Im Fachbereich Informatik der FH Bonn-Rhein-Sieg nimmt dieser Aspekt eine zentrale Rolle in Lehre und Forschung innerhalb des Studienschwerpunktes Medieninformatik ein. Drei wesentliche Bereiche des VC werden besonders in diversen Lehreinheiten und verschiedenen Projekten vermittelt: Computergrafik, Bildverarbeitung und Hypermedia-Anwendungen. Die Aktivitäten in diesen drei Bereichen fließen zusammen im Kontext immersiver virtueller Visualisierungsumgebungen.

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Einleitung

„Visual Computing“ (VC) ist dabei, sich als zusammenfassender Begriff für die Erzeugung und Verarbeitung von visueller Information in einem eigenen Forschungsgebiet zu etablieren. Seit Visual Computing als zusammengehörige Einheit identifiziert wurde, entstehen auf nationaler wie internationaler Ebene Cluster und Kompetenzzentren, die sich diesem Forschungsgebiet gezielt widmen. So hat z.B. das MPI1 für Informatik in Saarbrücken in Kooperation mit der Stanford University 2003 ein „Max Planck Center for Visual Computing and Communication (MPC-VCC)“ eingerichtet und bietet seit 2006 zusammen mit der Universität des Saarlandes einen Masterstudiengang „Visual Computing“ an. Weitere Beispiele finden sich in der Abteilung „Visual Computing“ des Zentrums für Graphische Datenverarbeitung (ZGDV) in Darmstadt mit Verbindun-

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MPI = Max-Planck-Institut.

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Wolfgang Heiden, Rainer Herpers und André Hinkenjann

gen zum Fraunhofer-Institut für Computergrafik (IGD) und zur TU Darmstadt2 sowie im Cluster „Visual Computing Baden-Württemberg“3. Der Lehrstuhl für Datenverarbeitung der TU München fasst unter dem Begriff „Visual Computing“ Forschungsthemen zur Bild- und Videocodierung, interaktiven 3DSzenarien und Datenvisualisierung zusammen. Seit seiner Gründung 1996 bietet der Fachbereich Informatik der FH BonnRhein-Sieg eine Vertiefungsrichtung (Studienschwerpunkt) Medieninformatik (MI) an, die sich besonders mit Themen des VC in Lehre und Forschung befasst. Dieser Schwerpunkt in Lehre, Forschung und Entwicklung ruht auf den vier Säulen Computergrafik und Visualisierung, Bildverarbeitung und Computer Vision, Hypermedia-Systeme und Edutainment sowie Multimediakommunikation. Speziell die drei erstgenannten Bereiche repräsentieren wesentliche Elemente innerhalb des Gebietes Visual Computing. Dabei hat sich zwischen den genannten Teilgebieten am Fachbereich Informatik eine Fokussierung auf die Sensualisierung von Informationen in immersiven bzw. augmentierten virtuellen Umgebungen entwickelt.

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Inhalte

Visual Computing beschäftigt sich, abstrakt ausgedrückt, mit der Erzeugung, Veränderung und Auswertung von visuell erfassbaren Daten. Dies beinhaltet u.a. die Visualisierung komplexer (oft multidimensionaler) Datensätze mit dem Ziel, diese intuitiv verständlich darzustellen und somit deren Auswertung zu unterstützen. Die Entwicklung sowohl von immersiven als auch hypermedialen Präsentations- und Interaktionssystemen ist ein konsequenter Schritt hin zur weiteren Effizienzsteigerung über interaktiven Zugang zu den visualisierten Daten wie auch Hintergrundinformationen nach Bedarf. Augmentierung real gemessener Daten in immersiven Echtzeitsystemen setzt neben der Ausweitung der Visualisierung auf weitere Sinne, hin zu einer umfassenden „Sensualisierung“, diese Entwicklung fort. Neue Forschungs- und Entwicklungsbereiche zur Optimierung industrieller Produktionsverfahren wie „Virtual Prototyping“ verbinden Techniken der Virtuellen Realität mit klassischen Verfahren der Simulation. Die automatisierte Verarbeitung visueller Daten stellt eine notwendige Vorstufe zur computerunterstützten Auswertung, insbesondere in Medizin und Naturwissenschaft, aber auch z.B. im Robotik-Bereich als „Computer Vision“, dar. Außerdem kann mit geeigneten Verfahren eine Vorauswahl getroffen werden, welche wiederum die Bearbeitung visualisierter Datensätze durch menschliche Experten unterstützt. Bei der Auswertung und Kategorisierung

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http://www.zgdv.de/zgdv/zgdv/departments.

3

http://www.visual-computing.de/.

Visual Computing an der FH Bonn-Rhein-Sieg

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von Massendaten können solche Methoden bestehende Analyseverfahren zugleich erleichtern und objektivieren. Als „Tracking“ kann Bildverarbeitung dazu dienen, die Arbeit in immersiven virtuellen Umgebungen zu erleichtern. Die Aufbereitung und Präsentation komplexer Daten, besonders in interaktiv zugänglichen Informations- und Lernsystemen, schlägt die Brücke von Visual Computing zu eLearning bzw. Info- und Edutainment [1]. Moderne Edutainment-Ansätze, von interaktiven digitalen Storytelling-Konzepten im Hypermedia-Kontext, über vernetzte immersive 3D-Umgebungen unter Nutzung der hoch entwickelten Technologie (Hardware und Software) von Computerspielen, führen zu neuen Möglichkeiten der Arbeit mit komplexen Daten.

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Aktuelle Forschungsthemen

3.1 Visualisierung Ein aktuelles Projekt aus dem Bereich Bio-/Chemo-Informatik verbindet Visualisierung und automatisierte Analysemethoden mit Ansätzen der unscharfen Logik. Dabei geht es um die Definition molekularer Deskriptoren mit dem Ziel einer Zuordnung verschiedener – unter Umständen strukturell deutlich unterschiedlicher – Moleküle bzw. Molekülbereiche zu Gruppen gleichartiger Funktionalität. Auf der Grundlage eines Verfahrens zur Beschreibung molekularer Oberflächen durch linguistische Variablen [2, 3] sowie eines Ansatzes zum automatisierten Docking von Proteinrezeptoren und deren Wirkstoffen [4] wird eine Methodik entwickelt, die dazu dienen soll, biologische Makromoleküle

Abb. 1. Kombination von Oberflächendomänen gemäß Molekularem Elektrostatischem Potenzial (MEP) und Molekularem Lipophiliepotenzial (MLP) zur Charakterisierung des Eiweißmoleküls Trypsin.

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ebenso wie deren (potenzielle oder bekannte) Reaktionspartner anhand von repräsentativen Oberflächenregionen als funktionelle Einheiten in ihrer Gesamtheit zu klassifizieren und so über Unterschiede hinsichtlich des strukturellen Aufbaus hinweg auf funktioneller Ebene zu beschreiben. Dazu werden mehrere als relevant für inter- und intramolekulare Wechselwirkungen bekannte physikochemische Eigenschaften wie das molekulare elektrostatische Potenzial (MEP), Pseudopotenziale für Lipophilie (MLP) oder Wasserstoffbrücken [5] und topographische Eigenschaften auf den Moleküloberflächen abgebildet über linguistische Variablen kombiniert (Abb.1). 3.2 Rendering Ein wichtiger Aspekt des Visual Computing ist die Art und Weise, wie die berechneten oder gemessenen Ergebnisse dargestellt werden, das sog. Rendering. Traditionell wird für das Rendering Grafikhardware genutzt. Dabei können hohe Rendering-Geschwindigkeiten und teilweise eine hohe Qualität der Darstellung erreicht werden. Allerdings sind einige optische Effekte, wie korrekte Spiegelungen, Lichtbrechungen, diffuse Reflexionen, nicht darstellbar. Daher

Abb. 2. Augenoperationssimulation mit dem Ray Tracing-Verfahren (3D-Modell des Auges: VRmagic GmbH).


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wird am Computergrafik-Labor der Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg an fortgeschrittenen Rendering-Verfahren für interaktive Umgebungen und an der Software gearbeitet, die diese Rendering-Verfahren dann einsetzen kann. Das vom BMBF geförderte Projekt TraCell (Förderkennzeichen 1762X07) beschäftigt sich mit der Fragestellung, wie strahlbasierte Verfahren (Ray TracingVerfahren) aus der geometrischen Optik für die Simulation von Augenoperationen (vgl. Abb. 2) und für die Evaluierung von Designs in interaktiven Umgebungen eingesetzt werden können. Für die Berechnung der Bilder kommt eine neue Chiparchitektur – die Cell Broadband Engine Architecture (kurz Cell) – zum Einsatz. Die Projektergebnisse sind in der Medizin von großem Interesse, da hier die Qualität von Echtzeitvisualisierungen eine große Rolle spielt. Virtuelle Realität (VR) ist zudem heute ein etabliertes Werkzeug im digitalen Produktentstehungsprozess. Die so genannte anmutungstreue Visualisierung virtueller Prototypen ist dabei eine Aufgabe mit rapide zunehmender Bedeutung. Bisher war die im Echtzeitrendering erreichbare visuelle Qualität ein begrenzender Faktor, der den industriellen VR-Einsatz häufig auf Anwendungen beschränkt, bei denen die visuelle Qualität eine untergeordnete Rolle spielt, z.B. das CAD-Review oder die Visualisierung von Ergebnissen der Strömungs- oder Festigkeitssimulation. Durch die Ergebnisse des TraCell-Projekts kann die Qualität des Renderings im Produktentstehungsprozess wesentlich erhöht werden. 3.3 Virtual und Augmented Reality Während „Virtual Reality“ (VR) technische Systeme beschreibt, in denen die menschlichen Wahrnehmungskanäle weitest möglich durch computergesteuerte Reize beliefert werden, bezeichnet man Systeme, in denen Sinnesreize aus

Abb. 3. Konzept eines Systems zur integrierten Wahrnehmung visueller und thermografischer Bilddaten.

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der realen Umgebung durch computergesteuerte Daten kontextsensitiv erweitert werden, als „Augmented Reality“ (AR). Das Konzept einer „Augmented Perception“ geht über den AR-Ansatz hinaus mit dem Ziel, die menschliche Sinneswahrnehmung um technisch erfassbare physikalische Größen (wie z.B. infrarotes Licht im thermografischen Spektralbereich) so zu erweitern, dass diese Reize intuitiv erfassbar als quasi zusätzliches Sinnesorgan genutzt werden können, möglichst ohne dabei natürliche Reize auszublenden oder sich mit diesen verwechselbar zu mischen [6]. Ein erster Ansatz zur Erweiterung visueller Wahrnehmung nutzt Redundanzen beim binokularen Sehen, um thermografische und natürliche Farben trennen zu können (Abb. 3). 3.4 Computer Vision Die Sensualisierung von Daten in immersiven virtuellen Umgebungen wie dem Immersion Square [7] (Abb. 4) bietet vielfältige Möglichkeiten, z.B. zur Untersuchung menschlicher Verhaltensweisen in realistischen Simulationsumgebungen unter kontrollierten Bedingungen (vgl. auch [8]). Ein aktuelles Forschungsprojekt der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) am Fachbereich Informatik (FP279) befasst sich mit dem Aufbau von interaktiven virtuellen Umgebungen zur Evaluierung von Usability-Fragestellungen im Arbeitsschutz mit besonderer Berücksichtigung der Anwenderfreundlichkeit von Sicherheitstechnik für Arbeitsmittel des gewerblichen

Abb. 4. Virtuelles Modell einer menschlichen Blutzelle im Immersion Square.


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Bereiches. Hier sollen in einer frühen Entwicklungsphase von komplexen Maschinen alternative Benutzerkonzepte auf ihre Anwendungstauglichkeit bezüglich des Arbeitsschutz getestet werden. Wesentlich bei Untersuchungen solcher Fragestellungen ist eine präzise Dokumentation der Blickbewegung eines Bedieners, denn diese kann beispielsweise Auskunft über dessen Zustand bzw. Aktivität zum Zeitpunkt eines Alarms geben. Hierzu ist jedoch eine hohe Ortsauflösung unabdingbar, denn wenige Zentimeter Abweichung können das erfolgreiche Betätigen eines Notaus-Knopfes beeinflussen. Für diese Teilfragestellung müssen Computer Vision Verfahren entwickelt werden, welche die präzise Lokalisierung eines Kopfes innerhalb einer immersiven Visualisierungsumgebung erlauben, da kommerziell verfügbare Produkte die notwendige Genauigkeit nicht leisten. Detektion und Verfolgen von einer oder mehrerer Personen in natürlichen Umgebungen sind in diesem Zusammenhang ebenfalls von hoher Bedeutung. Dies wurde am Fachbereich Informatik über mehrere Jahre intensiv im Rahmen eines Forschungsprojektes zum Thema „Entwicklung und Evaluation eines computerunterstützten Verfahrens zur Detektion von Körperteilen in Videobildsequenzen sowie Erstellung eines Prototypen" im Verbundvorhaben "Verbesserung der Arbeitsbedingungen an Tisch- und Formatkreissägen“, welches ebenfalls von der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) finanziell gefördert wurde, untersucht [9, 10, 11, 12]. Computer Vision Verfahren werden darüber hinaus auch bei der effizienten Generierung von Inhalten für die Darstellung in Virtuellen Umgebungen eingesetzt, um beispielsweise großflächige und hoch aufgelöste Bildebenen aus konventionellen Videodaten herzustellen. In dem FH³-Projekt FIVIS werden gegenwärtig realitätsnahe Testszenarien von Straßen zur Verkehrssimulation für Radfahrer entwickelt. Anwendungen betreffen die Verkehrserziehung von Grundschülern ebenso wie Leistungsoptimierung für professionelle Sportler. Dafür sollen u.a. neuartige Verfahren zur Generierung von 3DModellen aus Videobildsequenzen entwickelt werden. Alternativ können generische Modelle entwickelt werden, die einfach dupliziert und anschließend individuell variiert werden können.

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Zuverlässige Ad-Hoc-Kommunikation mobiler Endgeräte mit satellitengestützter Internet-Anbindung im Katastrophenschutz K. Jonas1,2, N. Jung1, M. Cremer1, S. Diob1,2, T. Islam1, Y. Slimi1 und M. Wessel1 1


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Fraunhofer Institut für Offene Kommunikationssysteme (FOKUS), Berlin

Mobile Datenkommunikation basiert üblicherweise auf der drahtlosen Anbindung eines Endgerätes an eine Basisstation, die ihrerseits an eine feste Infrastruktur angebunden ist. In vielen Szenarien sind diese Voraussetzungen jedoch nicht gegeben. Beispiele hierfür sind Katastrophen wie Hochwasser, Erdbeben oder Flugzeugabstürze in dünn besiedelten Regionen. Einen Lösungsansatz für sich daraus ergebende Anforderungen bieten dynamisch aufgebaute Ad-Hoc Netze mit einer satellitengestützten Anbindung an eine Festnetz-Infrastruktur. In solchen Netzen stellen die mobilen Terminals die benötigte lokale Infrastruktur selbst dynamisch her. Ziel der hier vorgestellten Arbeiten ist es, die Zuverlässigkeit und Dienstqualität der verwendeten Technologien zu untersuchen und durch geeignete Mechanismen so anzupassen, dass die Anforderungen typischer Applikationen möglichst erfüllt werden. Zur Demonstration wurde ein Prototyp aufgebaut, der unter anderem die Anwendungen "Voice over IP" (VoIP), "Datenbankzugriff im Intranet" und „Internetzugang“ (WWW) untersucht.

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Problemstellung

Mobile Datenkommunikation basiert in heutigen Kommunikationsnetzen typischerweise auf einer drahtlosen Anbindung jedes mobilen Terminals an eine Basisstation. Diese ist ihrerseits an eine feste, meist terrestrische, leitungsbasierte Infrastruktur angebunden. Als Beispiele für solche Kommunikationsnetze seien exemplarisch GSM, UMTS, WLAN genannt [SAUTER06]. Bei solchen Systemen müssen die folgenden Voraussetzungen gegeben sein: • Es muss eine Infrastruktur von angebundenen Basisstationen vorhanden sein.

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K. Jonas et al.

Abb. 1. Mobilkommunikation auf der Basis terrestrischer Infrastruktur

• Jedes mobile Terminal muss (mindestens) eine dieser Basisstationen direkt erreichen können. Wird eine Voraussetzung nicht erfüllt, ist eine Kommunikation mit dem mobilen Terminal nicht möglich. Wichtige Beispiele für eine fehlende terrestrische Infrastruktur sind: • Einsätze in Katastrophengebieten, in denen eine vormals vorhandene Infrastruktur ausfällt oder nur unzureichende Kommunikationsdienste anbieten kann, • dünn besiedelte Regionen, • weltweit viele Gebiete, in denen eine gute Kommunikationsinfrastruktur nur temporär benötigt wird, z.B. bei Konferenzen / Tagungen oder • im Falle von kritischen Inspektionstätigkeiten der UN, wie zum Beispiel bei den Waffeninspektionen im Irak, bei denen eine gegebene Infrastruktur als nicht vertrauenswürdig angesehen werden musste.

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Lösungsansatz

Einen Lösungsansatz für die oben beschriebenen Anforderungen bieten dynamisch aufgebaute Ad-Hoc-Netze in Verbindung mit einer satellitengestützten Anbindung an eine andernorts gegebene Festnetzinfrastruktur. In solchen Netzen stellen die mobilen Terminals die benötigte lokale Infrastruktur selbst her, fungieren also sowohl als Endsystem für die Benutzer als auch als Vermittlungssystem (Router) für die Nachrichten anderer Teilnehmer im Netz. Eine direkte drahtlose Verbindung ist immer nur bis zum nächsten mobilen System notwendig, nicht aber unbedingt zu einer stationären Basisstation. Alle mobilen Terminals innerhalb des Ad-Hoc-Netzes können miteinander kommunizieren, auch ohne eine direkte Verbindung zueinander zu haben. Eine mittelbare Verbindung zwischen zwei beliebigen mobilen Terminals des lokalen Netzes über ein oder mehrere andere mobilen Terminals des Netzes, die dann als Router fungieren, reicht hier für die Kommunikation aus. Eine

Zuverlässige Ad-Hoc-Kommunikation mobiler Endgeräte

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Abb. 2. Mobilkommunikation mit Ad-Hoc Netzen und Satellitenanbindung

Anbindung an eine Festnetzinfrastruktur kann damit für alle mobilen Terminals bereitgestellt werden, wenn nur eines der beteiligten Terminals vor Ort eine Verbindung zu einer Basisstation hat und die übrigen lediglich durch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen über Router angeschlossen sind. Wenn diese Basisstation ihrerseits eine satellitengestützte Datenübertragung unterstützt, kann die Kommunikation von einem weltweit beliebigen Ort aus erfolgen. Dabei bestimmen die Leistungsfähigkeit der Terminals und der Satellitenverbindung die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems. Eine Abhängigkeit von lokalen Anbietern einer Infrastruktur, wie zum Beispiel örtliche Telekommunikationsunternehmen, ist dann nicht mehr gegeben. Das Ad-Hoc-Netzwerk wurde hier mittels VSAT an das Intranet des Fraunhofer Instituts für Offene Kommunikationssysteme (FOKUS) angebunden. Damit kann jeder mobile Teilnehmer zum Festnetz (Intranet, Telefonnetz etc.) kommunizieren und auch von dort erreicht werden. Es ergeben sich allerdings auch potentielle Probleme mit einem solchen Ansatz: zum einen können sich bei ungünstigen Anordnungen der Netzteilnehmer (temporär) Bandbreitengpässe ergeben. Zum anderen können Teile des Ad-Hoc-Netzes durch die Mobilität temporär die Verbindung untereinander und zur Festnetzanbindung vollständig verlieren. Dies muss mit geeigneten Mechanismen zur Realisierung einer möglichst zuverlässigen Kommunikation berücksichtigt werden. Hierzu werden im Folgenden insbesondere Lösungen für die Erhöhung der Zuverlässigkeit bei verschlechterten Verbindungsbedingungen bis hin zu einer temporären Unterbrechung von Ende-zu-EndeVerbindungen untersucht. Zentraler Punkt bei der Projektdurchführung waren auch die Auswahl und anwendungsspezifische Bewertung von verfügbaren Hard- und SoftwareKomponenten anhand von systematischen Tests existierender Implementierungen im Laborversuch. Dabei wurden zur praktischen Realisierung fehlende Schnittstellen und Softwarekomponenten sowie Unverträglichkeiten von Komponenten identifiziert.

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Zuverlässigkeits- und Sicherheitsmechanismen

Die oben beschriebene Gesamtkonfiguration ist hoch dynamisch wegen der nicht eingegrenzten Mobilität der einzelnen Terminals und der damit wechselnden Erreichbarkeit. Dabei kann jedes Endsystem in Abhängigkeit von den aktuellen Übertragungsqualitäten wechselnde Rollen als Sender, Empfänger oder Router annehmen. Es ist auch nicht auszuschließen, dass einzelne Endgeräte sich so weit von den nächsten Nachbarn entfernen, dass sie den Kontakt zum Netz verlieren. Dies kann z.B. durch die Ausbreitungsbedingungen aufgrund der Topologie des Geländes oder durch das Betreten von Gebäuden geschehen. Für eine hinreichende Zuverlässigkeit des Gesamtsystems muss insbesondere eine schlechter werdende Verbindung innerhalb des Netzes möglichst bis kurz vor ihrem physikalischen Abbruch nutzbar bleiben. Außerdem ist eine hinreichende Informationssicherheit in vielen Anwendungen zwingend erforderlich. Im Rahmen des Projektes wurden folgende Aspekte untersucht [ZUKAS05]: • Eigenschaften des dynamischen Aufbaus und der Rekonfiguration des Ad-hoc Netzes: Endsysteme können sich an das Netz ohne manuelle Konfiguration durch die Benutzer anbinden oder das Netz verlassen. • Dynamische Konfiguration auch der Weiterleitung von Daten (Routing). Dabei kann jedes Endsystem gleichzeitig auch als Router fungieren. • Bewertung und Optimierung der Leistungsfähigkeit und der Zuverlässigkeit des Ad-Hoc-Netzwerkes durch geeignete Mechanismen im Falle gestörter Übertragung. • Bewertung und Optimierung der Sicherheit der Satellitenstrecke

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Ergebnisse

Die beiden ersten Aspekte Netzaufbau und dynamische Rekonfiguration werden durch die gegebenen Ad-Hoc Routingprotokolle hinreichend gut gelöst. Eine Vielzahl von Implementierungen wurde hinsichtlich des konzeptionellen Ansatzes sowie in Bezug auf die Verfügbarkeit stabiler Implementierungen untersucht. Letztlich wurde AODV für die Realisierung der Ad-Hoc Infrastruktur ausgewählt [PER02]. Eine wesentlich größere Herausforderung stellte der Anspruch auf hohe Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Übertragung dar. Hierbei sind zwei wichtige Fälle zu unterscheiden, nämlich die Erhöhung der Bitfehlerrate im WLAN durch Störeinflüsse oder schlechtere Signalübertragung und der vollständige Abbruch der WLAN Verbindung.

Zuverlässige Ad-Hoc-Kommunikation mobiler Endgeräte

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4.1 Maßnahmen bei erhöhter Bitfehlerrate Eine Erhöhung der Bitfehlerrate führt im Falle von VoIP zu einer unnötig starken Verschlechterung der Übertragungsqualität, da aufgrund der Fehlerprüfung im meist verwendeten UDP-Protokoll ein Datenpaket beim Empfänger schon dann komplett verworfen wird, wenn nur ein Bit falsch übertragen wurde. Dies ist häufig unnötig, da es sich im Falle einer VoIP-Übertragung wesentlich um Audiodaten handelt, bei denen ein einzelner Bitfehler vom Empfänger viel leichter ausgeglichen werden kann als der Verlust eines kompletten Paketes. Um diesem Rechnung zu tragen wurde ein Proxy implementiert, welcher UDP-Pakete auf der drahtlosen Strecke (einschließlich der Satellitenstrecke) in UDPLite Pakete umwandelt. Bei UDPLite wird nur ein konfigurierbarer Teil des UDP Paketes durch eine Checksumme geschützt. Typischerweise sind dies relevante Header-Informationen. Ein Bitfehler in den Audiodaten verletzt dadurch die CRC-Prüfung nicht, und die Daten können dem Empfänger ausgeliefert werden. In unseren Arbeiten wurde der Proxy transparent im Netz installiert, und die UDPLite Datenpakete wurden vor der Auslieferung an die Endanwendung wieder in UDP umgewandelt, so dass hier keine Anpassung der Endanwendungen notwendig war. Im Rahmen des Projektes wurde der Einsatz von Fehlerkorrekturmechanismen (FEC) für den Einsatz mit TCP und UDP untersucht [ISLAM05]. In einer derzeit laufenden Arbeit wird der UDPLite Proxy um FEC erweitert, so dass Bitfehler nicht nur übertragen, sondern sogar korrigiert werden können. Dazu muss allerdings die Redundanz in den Datenströmen geeignet erhöht werden, was wiederum die Übertragungskapazität auch bei guter Übertragungsqualität verschlechtert. 4.2 Maßnahmen bei Abbruch der WLAN-Verbindung Ein Abbruch der WLAN-Verbindung ist i.d.R. durch die physikalischen Eigenschaften der Funkwellenausbreitung bedingt. Um hier eine Verbesserung zu erzielen wurde ein alternativer Funkkanal hinzugefügt. Dieser Funkkanal verwendet eine wesentlich niedrigere Frequenz in einem freien Kurzwellenband, wodurch sich zum einen die Ausbreitungsbedingungen der Funkwellen deutlich ändern. Zum anderen ist die verfügbare Bandbreite wesentlich geringer, wodurch die erzielbare Datenrate sehr klein bleibt. Das Übertragungsformat basiert hier auf dem Packet-Radio-Verfahren (PR), das speziell für schmalbandige Übertragungskanäle ausgelegt ist. Die Umschaltung zwischen den beiden Radiokanälen (WLAN und PR) erfolgte erst bei sehr schlechter WLAN Verbindung und ist für Endanwendungen transparent. Wie zu erwarten ist der Erfolg dieser Methode aber stark abhängig von der geforderten Datenrate der betroffenen Anwendungen. Packet Radio im Kurzwellenbereich ermöglicht im Vergleich zu WLAN zwar nur eine sehr niedrige Datenrate. Diese wird jedoch auch dann noch bereitgestellt, wenn WLAN längst nicht mehr kom-

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K. Jonas et al.

munizieren kann. Das heißt, in allen Situationen mit einem geringen Bedarf bezüglich der übertragenen Datenrate, insbesondere in Notsituationen, bietet die Verfügbarkeit eines zweiten Radiokanals eine sehr preiswert zu realisierende Ergänzung zu WLAN. 4.3 Optimierung der Satellitenübertragung Geeignete Mechanismen im Falle satellitenbasierter Übertragung sind zunächst Caching und Prefetching benötigter Daten bei Web-Zugriffen. Auf Basis von Open Source Webproxies (z.B. squid) lässt sich relativ einfach ein Mechanismus implementieren, bei dem mit dem Abruf einer Webseite durch einen mobilen Anwender sofort die ersten n in dieser Seite vorhandenen Links angefordert und im Cache des Proxys abgelegt werden. Greift der Anwender anschließend auf einen dieser Links zu (und es gibt Untersuchungen, die hierfür eine hohe Wahrscheinlichkeit nachweisen), so kann die entsprechende Seite aus dem Cache geladen und dem Anwender sofort zur Verfügung gestellt werden. Die sonst üblichen Wartezeiten aufgrund der Signallaufzeit über den Satelliten entfallen. Für die Sprachübertragung hat ein solches Verfahren natürlich kaum Nutzen. Die Sicherheit der Satellitenstrecke wurde durch Implementierung eines Generic Routing Encapsulation Tunnels [GRE] erreicht. GRE ist ein mit dem Point to Point Tunneling Protokoll benutztes Protokoll zur Bildung eines Virtual Private Networks, also für besonders gesicherte Verbindungen. Acknowledgments Das dieser Arbeit zugrunde liegende Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung über den Projektträger Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. finanziert. Ein Teil der Arbeiten erfolgt in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Offene Kommunikationssysteme, Berlin. Die Autoren bedanken sich bei den Fördern und Unterstützern des Projekts!

Literatur [DRAFT UDP LITE] Larzon, et. al: The UDP Lite Protocol, IETF, August 2003 [GRE] RFC 2784, Generic Routing Encapsulation [ISLAM05] Islam, M.T., “Adaptive protocol for reliable and secure wireless ad hoc communication” Master-Thesis, FH-Bonn-Rhein-Sieg, 2005 [PER02] Perkins, C.E und Roger, E.M.: Ad-Hoc On-Demnd Distance Vector (AODV) Routing; IETF MANET Working Group, Internet-Draft, Juni 2002 [SAUTER06] Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme. Von UMTS, GSM und GPRS zu Wireless LAN und Bluetooth Piconetzen, Vieweg-Verlag, ISBN 978-3834801999 [ZUKAS05] Projektdokumentation, www.zukas.de

Educational Robotics: On the Role of Robotics in Learning and Education Gerhard K. Kraetzschmar Department of Computer Science

Motivation is a key ingredient for learning: Only if the learner is motivated, successful learning is possible. Educational robotics has proven to be an excellent tool for motivating students at all ages from 8 to 80. Robot competitions for kids, like RoboCupJunior, are instrumental to sustain motivation over a significant period of time. This increases the chances that the learner acquires more in-depth knowledge about the subject area and develops a genuine interest in the field.

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Introduction

The educational arena in Germany and many other European countries has been disturbed in the late nineties by reports on bad performance of their kids in international educational studies such as TIMSS and PISA. Ever since, concepts and approaches to somehow improve educational performance have received increased attention. Especially in Germany in the past ten years, there was a huge flurry of activities by almost every relevant group in society, such as governmental bodies in education, industrial associations and lobby groups like VDMA, VDI, and Gesamtmetall, local state and city governments, and nonprofit organizations and foundations such as Robert-Bosch-Stiftung. Although a systematic empirical analysis is not available for most activities, it is still possible to identify a few key ingredients for success. One of the most essential elements is in fact—at least in educational science—a very old and well-known one: Motivation is a key ingredient for learning. If the learner is motivated, you may hope for some success. If she / he is not, even the most innovative educational theories and practices fail, and you may as well stop here. When looking at the way we teach children in schools, it seems—at least to people outside of the educational establishment—that we have somewhat lost eyesight of this fact. Educational robotics has proven to be an excellent tool for motivating students at all ages from 8 to 80 (Sklar et al. 2003). While – with some

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Gerhard K. Kraetzschmar

thought – there are many opportunities to get kids interested in science, it is much more difficult to keep them interested. We use competitions in order to sustain motivation over a longer period of time, which increases the chances that the learner acquires more in-depth knowledge about the subject area and develops a genuine interest in the field. After summarizing the development of robot competitions in educational contexts, we describe the rationale behind the different RoboCupJunior competitions, which are specifically designed with educational goals in mind and are widely used throughout the world, and suggest some ideas for future work.

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Robot Competitions as a Motivational Tool

With the availability of cheap computers and robot construction kits, the idea of using robotics as an educational tool quickly appeared on the scene. The idea originated in seminal work at MIT in the 80s, especially Seymour Papert’s group at the MIT Media Lab, and the MIT 6.270 Robot Building Labs and Robot Contests. In the early nineties, the concept was introduced to a wider audience by organizing robot building labs at one of the largest AI conferences (AAAI-93, AAAI-94; the latter one was co-organized by the author). Many participants of these events later started such activities in their own universities. These courses typically were held using a very compact schedule spanning a few days up to a week of intensive activity. All these courses introduced the idea of competitions mainly for three reasons: 1. Initial or intermediate competitions had the purpose of giving participants feedback on the suitability and validity of their design ideas. These competitions usually used simplified versions of the task defined for a final competition. 2. The final competition was exploited as a public relations event, where sponsors, donators, local VIPs, and the media and press were invited. 3. By signing up on the course, participants commit themselves to stay through to the final competition. Giving up in the middle of the course, because something does not work even after putting in several hours of hard work, is viewed and felt as failure by the participants. Nobody wants to fail. Thus, the competitions have the effect that participants develop the endurance to battle along and keep going until the end. The competitions serve as motivation to get over a crisis in the development process, or when difficulties in teamwork are encountered. In the late nineties, we started to bring educational robotics into schools. The course concept had to be changed so that work usually stretches over at least half a year or a year, with weekly meetings for a few hours. Within this setup, the role of competitions extended to serving as a tool to sustain motivation

Educational Robotics: On the Role of Robotics in Learning and Education

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over a long period of time. In such a setup, having intermediate competitions would even be more important in order to give participants good feedback on their progress. Some schools with larger groups of students working on educational robotics actually do organize such events on a local scale, but it can be very difficult for smaller activities, e.g. if you have only few student teams.1 Simultaneouly with the spreading of educational robotics technology, such as LEGO Mindstorms, Tetrixx, or Elekit, numerous robot competitions for kids were developed. Examples are FIRST, First Lego League, and RoboKing. In China, organizing robot competitions for kids is reported to have turned into a successful business, often with over 1000 participating teams. However, in many cases such competitions are of questionable pedagogical value. The competition tasks are new or significantly redesigned every year, and there is usually little didactic material available for teachers. The competition often is about winning, not about learning. Especially in China, organizers seem to be more interested in reaping in substantial registration fees in exchange for a “certificate of excellence”, but do not provide support for teams or teachers.

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RoboCupJunior Competitions

RoboCupJunior robot competitions are targeted towards learning and exchange of knowledge. While the competitive aspect is an important one in order to get the motivational effects of competitions, emphasis is also placed on the cooperative and communicative aspects, such as sharing of knowledge between teams and helping each other. All competitions described below are organized in primary (for students under 15) and secondary (between 15 and under 19) divisions. 3.1 RoboRescue The RoboRescue competition is designed as the entry-level competition and requires the least experience and knowledge from participants. The scenario uses the idea that the robot should find injured people by navigating through a house that fell down after an earthquake. The environment consists of several (at least 3) nicely decorated rooms with obstacles, such as furniture, stones, plants, etc., and connected by doors and slopes. A curved black line, occasionally interrupted by gaps, guides the robots through the environment. The difficulty of the environment and of the black trail increases along the 1

Competitions need some minimum number of participants to unfold the desired effects and to instill the competitive edge among participants. In our experience, competitions with 5 or less participating teams have only a limited effect. A good size for a small competition is 8-10 teams. 12-24 teams are perfect. More than 30 teams in a single league usually make things difficult.

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Fig. 1. Pictures of a typical RoboCupJunior RoboRescue environment.

path. Two sorts of victims, made of differently colored material, are placed along the black line. When the robot detects a victim, it must stop and signal the type of victim by playing certain tunes. A contestant collects points for successfully navigating parts of the environment and rooms, and for correctly detecting victims. Points are deducted, if the robot looses the black trail and must be restarted from the entry door of the room. The time needed to successfully navigate the complete environment is recorded. Robots have 10 minutes to perform the job. The RoboRescue event is especially well-suited for educational robotics courses. It uses the idea of rescuing someone, to which everyone can immediately subscribe. Students can practice for the contest very early. For example, when Lego Mindstoms kits are used students have usually built a suitable robot after just 2 to 3 hours. They can immediately work on the line following behavior of the robot. The further down the line the robot manages to get, the more points they gather. Intermediate steps are mastering gaps in the line, narrow curves, and crossings. After the robot is able to follow the line, the kids work on detecting victims as well. The required behavior is easily added to the robot, without negatively interfering with the line following code. 3.2 RoboDance The RoboDance competition requires that students create an artistic performance using one or more robots. Aside of few constraints, which limit the stage size (5m × 10m), the duration of the performance (2 min), and the format of the background audio file (MP3), there are no rules for this competition. Teams may use one or more robots. They may use additional material to dress them up or equip them with instruments and other gadgets. Participants can themselves be part of the performance on stage. The genre of the performance may cover almost anything one can imagine, as long as it can be done in 2 minutes. Past performances included modern dance to main-


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stream music, classic dances like tango, ballet with classical music, folkloristic dances from various parts of Asia, the production of scenes from tales, plays, and sagas, and pop art and avantgarde productions. Every year, the student teams manage to surprise the judges with their immense creativity and new fascinating ideas. During a competition, the teams get one or two practice sessions to rehearse their performance. Teams can adjust their robots to on-site conditions such as background noise and lighting levels. Depending on number of participating teams, batches of 6 to 10 teams perform in a round and are judged by a group of 3 to 6 judges, who evaluate the performance on six categories: programming, construction, use of sensors, choreography, costume, and entertainment value. In addition to winning on overall performance, teams excelling in a particular performance category are also awarded.

Fig. 2. Example of a robot built for RoboCupJunior RoboDance and a team of students during practice. This event is very popular with girls.

Not surprisingly, the combination of robots, music, and dance, is especially attractive to girls. This event is also suited for beginning teams, because a single robot suffices to start with. In international competitions the trend has been towards more complex performances, often involving three to six robots. However, it is often a simple, but intriguing idea that counts and convinces the judges. 3.3 RoboSoccer The RoboSoccer competition is the oldest and still most popular event in RoboCupJunior. The idea, originated by Hendrik Lund and Luigi Pagliarini[3],

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was to offer a version of robot soccer for high school kids. The playground is a field surrounded by black walls and grey goals. The floor is covered by a greyscale which allows for rough localization using simple infrared sensors. The ball is specially developed for this event and emits infrared light, which can be detected by the robots. RoboSoccer is played in two variants, 1-on-1 and 2-on-2, on two fields of different size. Matches are played in two halves of 10 min each.

Fig. 3. Two RoboCupJunior RoboSoccer robots built from the Tetrixx robot construction kit and an image of two teams preparing for the next match on the soccer field.

The combination of robotics with the most popular sports in the world2 is highly attractive to kids. The 1-on-1 competition allows for an easy entry, where a team can concentrate on building and programming a single robot. More advanced students may proceed into the 2-on-2 competition, where the necessity to coordinate the behavior of two robots requires more elaborate strategy and teamwork.

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Competition Experiences

RoboCupJunior competitions have been held since 1999. The international championships have developed from a more or less local competition with a few dozen local participants in Stockholm in 1999 to a truly international event with more than 800 students and 220 teams from 33 different countries participating in Bremen in 2006. This was possible only by close cooperation of many people, which included teachers, , parents, volunteers as well as scientists from academia. The RoboCupJunior community has developed the competence and experience to successfully organize such competitions. Nevertheless, the event has reached a size where unlimited further expansion is not possible. As interest in participation already has grown much larger than we can provide opportunities to participate, national selection


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events are organized in many countries, e.g. Germany, Portugal, Italy, United Kingdom, United States, China, Japan, Singapore, and Australia, to name just a few. Several countries associate this event with other science competitions or senior RoboCup events, such as RoboCup GermanOpen. In 2008, an estimated 5000 RoboCupJunior teams have been active world-wide, of which we could only invite about 240 to the world championship in Suzhou in China. All competitions are well received by the public and the media and participants and visitors enjoy them alike. The RoboCupJunior competitions have really proven to be excellent tools for motivating students. Aside of these very rewarding experiences, we had also encountered a few trends that raised our attention and concerns. In 2004, RoboCupJunior competitions had grown to be so prestigious, and some teachers and advisors, parents, school officials and sponsors had developed such strong ambitions, that this had a negative influence on students and threatened to compromise the valuable educational goals of the competitions, such as cross-team cooperation and exchange of knowledge between teams. These trends have been identified and countermeasures have been taken. The most noteworthy one is that starting in 2005 we changed the competition format in RoboSoccer such that cross-national groups of teams, so-called multi-teams, compete against each other. For example, multiteam A may consist of three teams from Canada, Japan, and Slovakia, and multiteam B of teams from Argentina, Germany, and China. Each team of A will play each team of B, and the multiteam performing better overall proceeds to the next round. The performance of individual teams counts less, and teams cooperating with each other in order to mutually improve their performance benefit. This has worked so surprisingly well in the 2005 competitions that it was decided to further pursue and extend this idea to all competitions.

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Future Directions

Aside of organizational improvements, we believe that the current competitions clearly exhibit a need for providing better technology for improved performance of robots. This includes changes to the competition environments and formats, for example: • In RoboRescue, we aim at a closer cooperation between RoboCupJunior and the Rescue Robot competition in the senior leagues. RoboRescue may pick up some ideas from the senior league and add more elaborate victims or areas with rougher terrain. • In RoboSoccer, providing suitable grayscales continues to be an organizational burden both for school teachers and event organizers. Providing a localization mechanism that does not rely on the grayscale floor,

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and that is usable for all available robot kits, would be most welcome. Viable approaches may include the use of modulated and polarized light beacons around the field and corresponding sensors on the robots. The localization can then be done using a simple triangulation method. A second generation soccer competition, which takes up and implements many of these ideas, is expected to be introduced by 2009. • The most obvious need for improved technology is in RoboDance, where the actual performance often depends on the synchronization between the music and the robot movements. We propose the propagation of an audio editing tool, which the students can use to add acoustic markers to the music, and the development of suitable sensors consisting of microphones and sound filters that can extract these markers. These components would allow for a much better and more elaborate choreography in RoboDance.

References [1] Willie Lim, Henry Hexmoor, Gerhard K. Kraetzschmar, Jeffrey Graham, and Josef Schneeberger. The 1994 AAAI Robot Building Laboratory: Event, History, and Lessons Learned. AI magazine, 1995. [2] Pedro Lima, Luis Custodio, Levent Akin, Adam Jacoff, Gerhard Kraetzschmar, Beng Kiat Ng, Oliver Obst, Thomas Röfer, Yasutake Takahashi, and Changjiu Zhou. RoboCup 2004 competitions and symposium: A small kick for robots, a giant score for science. AI Magazine, 2005. [3] Henrik Hautop Lund and Luigi Pagliarini. Robot soccer with lego mindstorms. In Minoru Asada and Hiroaki Kitano, editors, RoboCup-98: Robot Soccer World Cup II, Lecture Notes in Artificial Intelligence, pages 141-152. Springer-Verlag, Berlin, Germany, 1999. [4] Elizabeth Sklar, Amy Eguchi, and Jeffrey Johnson. RoboCupJunior: Learning with educational robotics. In RoboCup-2002: Robot Soccer World Cup VI, volume 2752 of Lecture Notes in Artificial Intelligence, pages 238-253. Springer-Verlag, Berlin, Germany, 2003.

Referenzmodell für den Entwurf hochakzeptabler technischer Anwendungen Karl W. Neunast Fachbereich Informatik

1

Einleitung

Die Entwicklung technischer Produkte strebt nach der Akzeptanz durch den Markt. Das abstrakte Gebilde des Marktes wird aber geprägt durch menschliche Entscheidungen. BenutzerInnen1 arbeiten gerne mit einem technischen System oder sie lehnen es mehr oder weniger ab. Diese Ablehnung durch die BenutzerInnen führt über kurz oder lang auch zur Ablehnung durch die Entscheidungsträger in Firmen und anderen Institutionen, die gemeinsam mit den privaten BenutzerInnen den Markt ausmachen. Somit steht und fällt der wirtschaftliche Erfolg bei der Entwicklung und Vermarktung technischer Produkte mit dem Maß der erreichten Akzeptanz durch die BenutzerInnen. Neben dem seit langem etablierten Ansatz der Technikfolgenabschätzung2 gibt es nun auch den Ansatz der Akzeptanzförderung. Die Maßnahmen der Akzeptanzförderung verfolgen einen komplett anderen Ansatz als die Technikfolgenabschätzung (TA). Die Technikfolgenabschätzung untersucht für bereits entwickelte Technik, welche förderlichen und welche hinderlichen Faktoren es gibt, und macht Vorschläge, mit welchen Maßnahmen förderliche Faktoren gestärkt und hinderliche Faktoren in ihrer Wirkung abgeschwächt werden können. Die Akzeptanzförderung strebt dagegen nach höchstmöglicher Akzeptanz, indem bereits während der Entwicklung der Technik alle förderlichen Faktoren untersucht und durch verstärkende Maßnahmen unterstützt werden. Da 1

Um nicht immer die weibliche und die männliche Form von Begriffen verwenden zu müssen, wird im folgenden nur die weibliche Form benutzt und die Behandlung beider Geschlechter durch den Großbuchstaben im Wort deutlich gemacht.

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Institutionen, die sich mit Technikfolgenabschätzung beschäftigen, sind u.a. das Büro für Technikfolgenabschätzung beim Deutschen Bundestags (TAB), das Institut für Technikfolgen-Abschätzung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ITA) und die Europäische Akademie zur Erforschung von Folgen wissenschaftlich-technischer Entwicklungen Bad Neuenahr-Ahrweiler GmbH.

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Karl W. Neunast

die Technik noch nicht entwickelt ist, können hinderliche Faktoren weitgehend vermieden werden, indem die Technik mit anderen Eigenschaften entwickelt wird. Außerdem können Gegenmaßnahmen zur Abschwächung der verbliebenen hinderlichen Faktoren durch die zu entwickelnde Technik mit vorgesehen werden. Ein Beispiel für erfolgreiche Akzeptanzförderung ist die Gestaltung des Cockpits eines Autos, indem nur wenige, häufig benötigte Funktionen über direkte Bedienelemente, wie Knöpfe, Hebel oder Drehschalter, angeboten werden und die spezielleren Funktionen über adaptive Schnittstellen, z.B. Bordcomputer mit Touchscreen, angeboten werden und die Fahrertypen und ihr aktueller Lernstatus berücksichtig werden (können). Über die Akzeptanz durch die BenutzerInnen entscheidet aber nicht nur die angebotene Funktionalität. Nachfolgend präsentiert das Referenzmodell für die Akzeptanz technischer Systeme die weiteren Akzeptanzfaktoren.

2

Das Referenzmodell für die Akzeptanz technischer Systeme

Die Akzeptanz technischer Systeme beruht auf vier Faktoren (siehe Abbildung 1): • Funktionalität (Functionality) • Gebrauchstauglichkeit (Usability) • Erlernbarkeit (Learnability) und dem zugrunde liegenden Fundament der • Verlässlichkeit (Dependability)

Akzeptanz Funktionalität Erlernbarkeit

Gebrauchstauglichkeit Verlässlichkeit

Abb. 1. Die Faktoren der Akzeptanz technischer Systeme

Referenzmodell für den Entwurf hochakzeptabler technischer Anwendungen

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Diese vier Faktoren der Akzeptanz bedingen einander und sind vereinigt im Referenzmodell für die Akzeptanz technischer Systeme, welches die Wirkung untereinander und auf die Akzeptanz qualitativ darstellt (siehe Abbildung 2). Die Beherrschung komplexer Funktionalität erfordert ein hohes Maß an Gebrauchstauglichkeit, doch dies alleine genügt noch nicht. Selbst bei hervorragender Gebrauchstauglichkeit der Bedienschnittstelle erfordert der umfangreiche Funktionsvorrat einen erfolgreichen, längeren Lernprozess mit ausreichender Nachhaltigkeit. Komplexe Funktionalität bedingt nicht immer die Forderung nach hoher Verlässlichkeit. Ist aber die Kombination aus umfangreicher Funktionalität und hoher Verlässlichkeit gefordert, so ist auch immer sehr gute Gebrauchstauglichkeit und sehr gute Erlernbarkeit von Nöten. Nur dann können gut ausgebildete BenutzerInnen mit effizienten Eingaben das technische System mit hervorragender Effektivität einsetzen.

Akzeptanz

+

+ +

+

Erlernbarkeit

-

+ Funktionalität

+

-

-

Gebrauchstauglichkeit +

Verlässlichkeit Abb. 2. Referenzmodell für die Akzeptanz technischer Systeme

2.1 Funktionalität Der Akzeptanzfaktor Funktionalität eines technischen Systems legt fest, welche Dienste angeboten werden. Im Rahmen der wohl etablierten Disziplin der Anforderungsanalyse (Requirements Engineering) werden die geforderten Dienste als funktionale Anforderungen erfasst und dokumentiert. (Sommerville u. Sawyer 1997), (Pohl 2007)

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Karl W. Neunast

2.2 Verlässlichkeit Verlässlichkeit betrachtet aus Sicht der BenutzerIn die Frage, ob die geforderte Funktionalität mit der verabredeten Reaktionszeit abgerufen werden kann. Aus Sicht des technischen Systems wird der Sachverhalt als Zuverlässigkeit (Reliability) bezeichnet. Die Bedeutung der Verlässlichkeit für die Akzeptanz wurde im CTI-sA3-Projekt nachgewiesen. Durch die Befragung von aktiven und von zukünftigen MitarbeiterInnen in Service Centern verschiedener Versicherungskonzerne konnte gezeigt werden, dass neben der Gebrauchstauglichkeit der Anwendungsprogramme und wirkungsvollen Schulungen auch die Verlässlichkeit der Software als entscheidend für die Akzeptanz bezeichnet wurde. Verlässlichkeit umfasst vier Teilgebiete, die oft auch als Schutzziele der ITSicherheit bezeichnet werden (Rannenberg 1998) • Verfügbarkeit • Integrität • Vertraulichkeit • Zurechenbarkeit Verlässlichkeit wird oft nur mit Verfügbarkeit gleich gesetzt, aber das ist viel zu kurz gegriffen. Die Verfügbarkeit ist unentbehrlich, um die Funktionalität des Systems abrufen zu können, aber sie ist nur dann zielführend, wenn auch die Integrität des Systems gewährleistet ist. Die Daten des Systems dürfen nur von berechtigen BenutzerInnen verändert worden sein und die Funktionalität muss unverändert den spezifizierten Anforderungen entsprechen. Vertraulichkeit ist ebenfalls von großer Bedeutung für die Verlässlichkeit eines Systems, aber nur in dem von der Anwendung geforderten Maß. So ist für die Verwaltung von Kunden- oder Patientendaten ein viel höheres Maß an Vertraulichkeit zu fordern als für die Nutzinhalte von frei zugänglichen Web-Seiten. Bei den Nutzungsdaten dieser frei zugänglichen Web-Seiten ist allerdings wieder ein höheres Maß an Vertraulichkeit zu fordern. Zurechenbarkeit schließlich behandelt die Forderung nach der Nichtabstreitbarkeit von Aktionen und des Empfangs von Nachrichten. Die Zurechenbarkeit ist wichtig für die Beweissicherung zur Klärung der Verursacherfrage und in diesem Zusammenhang auch der Kompensation der Dienstinanspruchnahme, d.h. wer muss für die Dienstausführung bezahlen.

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Computer-Telefonie-Integration und soziale Akzeptanz (C-T-I-sA).


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2.3 Gebrauchstauglichkeit Das DATech-Prüfhandbuch Gebrauchstauglichkeit (DATech 2006) charakterisiert diesen Akzeptanzfaktor in folgender Weise: „Gebrauchstauglichkeit kennzeichnet die Nutzungsqualität von Software. Funktionale und software-technische Merkmale sind in diese Bewertung eingeschlossen, soweit sie Auswirkungen auf die Softwarenutzung haben. Es wird also nicht die technische Güte dieser Merkmale bewertet, sondern ihre Wirkungen am Arbeitsplatz und auf den Benutzer. Das Produkt wird vor allem danach beurteilt, ob und inwieweit es am Arbeitsplatz des Benutzers anforderungsgemäß und zuverlässig funktioniert. Die Nutzungspraxis von Software zeigt, dass viele Nutzungsanforderungen erst durch praktische Nutzung erkannt werden können, so dass neben der Produktqualität auch die Qualität von Abhilfen für festgestellte Nutzungsprobleme zu bewerten ist. Ein insoweit an die Erfordernisse des Nutzungskontexts anpassbares Produkt soll effizient nutzbar sein, d.h., es soll tauglich sein für den Gebrauchszweck und keine unnötigen Arbeitsschritte erforderlich machen.“ 2.4 Erlernbarkeit Erlernbarkeit behandelt die Frage, wie leicht eine BenutzerIn den korrekten und effizienten Umgang mit dem technischen System erlernen kann. Dies hängt stark von der Komplexität der Bedienoberfläche ab und kann durch unterstützende Lernmethoden erleichtert werden. Ebenfalls zu berücksichtigen sind die fachlichen Vorkenntnisse der BenutzerIn. Die Lernmethoden müssen die Persönlichkeitsmerkmale und Lernvorlieben der Lernenden berücksichtigen und unterstützen. Diese Abhängigkeiten konnten in Untersuchungen4 des Forschungsbereichs Akzeptanz moderner Technologien nachgewiesen werden, siehe auch Abschnitt 0. Komplexität der Anwendung Hohe Komplexität der Anwendung erfordert die Unterstützung schrittweisen Lernens. Durch die Skalierung der Komplexität während des Lernprozesses kann den Erfordernissen jeder einzelnen Lernenden entsprochen und deren Überforderung vermieden werden.

4

Methodik und Software-Assistenz zur Ermittlung von Effektanzpotentialen für die Individualisierung von technischen Schulungsmaßnahmen (MeSA-EffpoS).

96

Karl W. Neunast

Vorkenntnisse der BenutzerIn Auch die Vorkenntnisse der BenutzerIn müssen berücksichtigt werden. Nur so ist es möglich, sowohl die Unterforderung als auch die Überforderung der Lernenden zu vermeiden. Beide Fälle führen zur Demotivation und damit zu gemindertem Lernerfolg und wirtschaftlichen Einbußen durch Fehlinvestitionen für Schulungsmaßnahmen. Auch zur Erfüllung dieser Forderung ist die Skalierbarkeit der Funktionalität, der Lerngeschwindigkeit und des Unterstützungsgrades der Lernenden erforderlich. Persönlichkeitsmerkmale der BenutzerIn Neben den Vorkenntnissen der Lernenden sind auch ihre Persönlichkeitsmerkmale von großer Bedeutung für ihr Lernverhalten und ihren Lernerfolg. Kompetenz- und Kontrollüberzeugung In den Untersuchungen des BMBF-geförderten Forschungsprojekts MeSAEffpoS konnte nachgewiesen werden, dass die Kompetenz- und Kontrollüberzeugung der Lernenden – also ihre Erwartung ihr Leben und darin auch die technischen Systeme beherrschen zu können – mit ihren Lernvorlieben korrelieren. Vorsichtige oder unsichere BenutzerInnen – mit geringer bis sehr geringer Kompetenz- und Kontrollüberzeugung – bevorzugen Lernmethoden, bei denen sie nur langsam die Kontrolle über das technische System übernehmen müssen. Erfolgreich sind Patensysteme und Simulationsspiele, bevorzugt mit der Möglichkeit in Gruppen erste Erfahrungen zu sammeln. Zuversichtliche BenutzerInnen – mit hoher bis sehr hoher Kompetenz- und Kontrollüberzeugung – bevorzugen Lernmethoden, bei denen sie sehr schnell die Kontrolle über das technische System übernehmen können. Erfolgreich sind Simulationen und Simulationsspiele mit der Möglichkeit schnell eigene Erfahrungen zu sammeln. Lernvorlieben Die Liste der nachfolgenden Lernvorlieben entspricht steigender Kompetenzund Kontrollüberzeugung der Lernenden (Neunast et al. 2006), (Viol 2007) • Zuhören • Beobachten • Anleiten lassen • Ausprobieren


3

97

Lernmethodik

Noch weit vor dem Vorführen des korrekten Handelns ist das gefahrlose Ausprobieren im Rahmen einer Simulation bzw. eines Simulationsspiels eine sehr erfolgreiche Lernmethode. Ein weiterer Vorteil der Lernmethode des Simulationsspiels ist die Möglichkeit, durch den simulierten Wettbewerb eine signifikante Steigerung der Lernmotivation zu erreichen: Man möchte nicht nur lernen, wie man sich korrekt verhält, sondern man möchte im Wettbewerb mit anderen spielerisch Lernenden besser sein oder zumindest nicht die Letzte sein. Die Lernmethode der Simulationsspiele wird schon lange erfolgreich in den Bereichen Sozialwissenschaften und Betriebswirtschaft eingesetzt, aber bisher kaum zur Vermittlung technischer Sachverhalte (Blötz 2002). Einen Nachteil hat die Methode des Simulationsspiels allerdings: Es ist sehr aufwendig, solche anspruchsvollen Spielprogramme zu entwickeln. Im BMBFgeförderten Projekt teSim wurden Spezifikationsmethoden und Generatorsysteme zur automatisierten Entwicklung von Simulationsspielen erforscht, entwickelt und erfolgreich eingesetzt (Neunast u. Schug 2007). 3.1 Simulationen vorführen In Simulationen und Simulationsspielen kann eine TrainerIn, die als PatIn für die Lernenden fungiert, viel besser die Wirkung von BenutzerInnen-Eingaben vorführen als am produktiven System, welches nur die erforderliche Funktionalität bietet (siehe auch Abschnitt 4) und keinen Einblick in interne Abläufe erlaubt. Bei Simulationen und Simulationsspielen dagegen können interne Abläufe protokolliert und visualisiert werden. 3.2 Selbst gesteuertes Lernen Jede Lernende hat ihren eigenen Lernstil und ihre eigene Lerngeschwindigkeit. Simulationen und Simulationsspiele können sich in hervorragender Weise der jeweiligen Lerngeschwindigkeit anpassen, insbesondere im Einzelspielermodus. Außerdem lassen sich Simulationen und Simulationsspiele sehr gut mit Tutorien kombinieren in Form von Computer-Based-Training (CBT) oder WebBased-Training (WBT). Das teSim-System ist so konzipiert, dass alle Simulationen und Simulationsspiele als Web-basierte Programme generiert werden können. 3.3 Ausprobieren im Testbetrieb Während ein Simulationsspiel noch Ereignisse vorgibt, auf die mit Entscheidungen reagiert werden muss, ist das freie Ausprobieren im Testbetrieb die höchste Form des selbst gesteuerten Lernens.

98

Karl W. Neunast

Da der Lernenden bewusst ist, dass sie mit einer Simulation und nicht mit einem produktiven System arbeitet, kann sie sorglos und unbefangen ausprobieren, welche Folgen ihre Entscheidungen und ihre Eingaben haben: Alle Folgen und Schäden sind nur virtuell. Dieses Wissen erleichtert das Ausprobieren signifikant, insbesondere für Lernende mit geringer Kompetenz- und Kontrollüberzeugung (siehe auch Abschnitt 0).

4

Grundregeln der Entwicklung hochakzeptabler technischer Systeme

Akzeptanzfaktor

Grundregeln

Funktionalität

Konzentration auf das Wesentliche: Keine unnötigen „Spielereien“ implementieren, das erhöht nur das Fehlerpotential der Software und senkt ihre Gebrauchstauglichkeit.

Verlässlichkeit

Für die implementierte Funktionalität muss mindestens die geforderte Zuverlässigkeit realisiert werden: Nichts verunsichert BenutzerInnen mehr als die Minderung der Verlässlichkeit in Augenblicken der Inanspruchnahme („Wenn’s drauf ankommt!!).

Gebrauchstauglichkeit Die Software, insbesondere ihre Bedienoberfläche, muss die BenutzerIn in der Erfüllung ihrer Aufgabe bestmöglich unterstützen und sie nicht aufhalten oder gar behindern. Erlernbarkeit

5

Je höher die Komplexität der zu benutzenden Funktionalität ist, umso anspruchsvoller wird das Erlernen ihrer effektiven und effizienten Benutzung. Hohe Gebrauchstauglichkeit durch intuitive Bedienoberflächen erleichtert das Erlernen in gewissem Umfang. Dennoch kommt der Gestaltung individualisierbarer, selbst gesteuerter Lernmethoden für komplexe technische Systeme große Bedeutung zu. Diese Lernmethoden müssen bereits während der Entwicklung des technischen Systems mitentwickelt und ihre Ausführung gegebenenfalls durch das technische System unterstützt werden.

Ausblick

Basierend auf den bisherigen Forschungsergebnissen wird nun mit Förderung durch das BMBF im Projekt SEN-TAF5 untersucht, welche Ausprägung der Akzeptanzfaktoren bei autonomiefördernder Technik für Senioren erforderlich 5

Seniorengerechte Technik zur Autonomieförderung: Anforderungsstudien, Marktanalysen und Akzeptanztests (SEN-TAF)


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ist, damit Senioren solche Produkte wie Haustechnik der nächsten Generation und häusliche Roboterassistenten gerne sowie effektiv und effizient einsetzen, um ihren Alltag unabhängig und angenehm gestalten zu können.

Literatur Ulrich Blötz (Hrsg.) (2002) Planspiele in der beruflichen Bildung, Bundesinstitut für Berufsbildung BIBB, Bertelsmann DATech Deutsche Akkreditierungsstelle Technik GmbH (2006) DATech-Prüfhandbuch Gebrauchstauglichkeit K.W. Neunast, D. Freiberger, A. Schug, W. Viol (2006) Methodik und Software-Assistenz zur Ermittlung von Effektanzpotentialen für die Individualisierung von technischen Schulungsmaßnahmen (MeSA-EffpoS), Abschlussbericht, Sankt Augustin K.W. Neunast, A. Schug (2007) Methodik und System zur automatisierten Entwicklung von technischen Simulationsspielen zu Beratungs- und Schulungszwecken (teSim), Abschlussbericht, Sankt Augustin Klaus Pohl (2007) Requirements Engineering: Grundlagen, Prinzipien, Techniken, dpunkt Kai Rannenberg (1998) Zertifizierung mehrseitiger IT-Sicherheit, Vieweg Ian Sommerville, Pete Sawyer (1997) Requirements Engineering – A Good Practice Guide, J. Wiley Wilma Viol (2007) Zum Zusammenhang zwischen technischen Schulungsmaßnahmen und Effektanzerwartungen, Shaker Verlag, Köln

Performance Optimizations in Embedded System Design Paul G. Plöger Department of Computer Science, b-it Applied Science Institute

With regard to performance well established SW-only design methodologies proceed by making the initial specification run first, then by enhancing its functionality and finally by optimizing it. When designing Embedded Systems (EbS) this approach is not viable since decisive design decisions like e.g. the estimation of required processing power or the identification of those parts of the specification which need to be delegated to dedicated HW depend on the fastness and fairness of the initial specification. We here propose a sequence of optimization steps embedded into the design flow, which enables a structured way to accelerate a given working EbS specification at different layers. This sequence of accelerations comprises algorithm selection, algorithm transformation, data transformation, implementation optimization and finally HW acceleration. It is analyzed how all acceleration steps are influenced by the specific attributes of the underlying EbS. The overall acceleration procedure is explained and quantified at hand of a real-life industrial example.

1

Introduction

When designing pure SW systems modern design methods frequently concentrate on the rapid production of a running system, postponing the question of performance to a later point in the life cycle. D. Knuth even coined the motto: 'Premature optimization is the root of all evil', see [11]. In EbS design things are not so clear cut as they may appear during classic SW-only design, due to interdependencies between specification, design, implementation and the – yet to be determined – HW which plays a dominating role. From a HW/SW Co-design point of view it is desirable to fixate it as late as possible. Reasons for this include, e.g. that the designer likes to keep as much as possible in SW as this ensures flexibility. Secondly interfacing dedicated HW will prolong development time and raise final system costs considerably. Thus it is desirable to find as late as possible an 'optimal' controller for the EbS under design in the sense that it exactly meets the required perform-

102

Paul G. Plöger

ance constraints thus gaining a high utilization. This implies to implement an algorithm which ideally fits onto the controller, which necessitates HW dependent optimizations. These in turn introduce bias hindering a fair comparison on higher design levels: some HW is favored implicitly and thus chosen too early. On the other hand disregarding optimizations altogether will result in an overestimation of needed computing power and / or delegating the wrong part to dedicated HW. Choosing wrong data types is an obvious example. An algorithm might quickly be prototyped using floats, but using this as a basis to choose the final HW will quite naturally result in a HW supporting this data type, i.e. a controller containing an FPU. This double bind situation of the need for accelerations and avoiding HW bias can be addressed by a layered approach to accelerations following a topdown direction and it is presented in the following. The rest of this paper is structured as follows: the next section deals with related work while the section ‚Problem Definition’ sketches a generic EbS design flow. The section entitled ‚Approaches’ introduces the application of the different acceleration steps and links them into this EbS design flow. The result section applies the proposed acceleration to a running through industrial example and we finally conclude with a summary.

2

Previous Work

Life cycle models dealing with the design process of pure SW systems have a long tradition and are well understood, see older publications by Boehm [4] and Meyer [14] or Booch [5] for more recent publications. Most of them view performance – if covered at all – as a minor topic of interest dominated by the overwhelming demand to get a system running first. The gem for a structured approach to optimization in SW design originates from techniques, like those found in [3] or [1]. The first author emphasizes optimizations expressible as addition, removal, reordering or collapsing transformation on the level of source code statements. The second advocates the introduction of optimization as a new distinct phase in the SW lifecycle. It is generally agreed though that a working specification – like one defined in the ANSI standard [15] – is imperative for any kind of performance measurement, in some sense stating that performance can hardly be predicted correctly rather can only be quantified via measurement. This kind of specification, which may be expressed in C, VHDL or Verilog, serves also the input to most HW/SW Codesign systems like LYCOS [13], COSYMA [7], Chinook [6], POLIS [2], COSMOS[10] or CASTLE [18]. The impact of measurements on computer architectures has been pioneered by the book of Patterson and Hennessy [9], while the cornerstones for EbS design can be found in a paper by Wolf [19] or the course book by Gajski [8].

Performance Optimizations in Embedded System Design

3

103

A Generic EbS Design Flow and Problem Definition

On the point of optimization, the designer wants to know what to optimize with respect to which criterion, when to optimize during the design flow, and finally how to optimize. In computer science, space and time are the most basic metrics with a growing impact of execution time, which we chose to be our target metric. We assume a very generic design flow containing three design phases namely System Requirement Analysis (SRA), Design and Implementation. All three are amenable to optimizations. Table 1 shows the interdependence between design phases, optimization methods and analysis tools. SRA originates from classic lifecycle descriptions for pure SW designs. The main point to answer is what the final system should accomplish. SRA is the most abstract design level, and an EbS specification in this stage allows different interpretations. It is the main task to narrow down numerous competing alternatives to leave a single selection in the end. During design the architecture for SW and HW is developed. It is concerned with the questions how the specification is realized, and how modules and interfaces are formulated in higher programming languages like C / C++ on one side, or using highlevel hardware descriptions like VHDL on the other. A requirement driven hot spot detection will identify critical sections which are worth to be accelerated. With this information at hand, algorithms which show a better run time complexity can be inserted. Accelerations result from e.g. the simplification of expressions using algebraic rearrangements or by cutting down whole parts of the calculation by exploiting symmetries e.g in matrix based algorithms. Both transformations have an optimization potential far beyond the automatic capabilities of any recent optimizing compiler. Finally the design finds its implementation on a target HW. The preceding design phases have a very rough HW model only, but this last phase converts the EbS design into specific machine code or dedicated HW. Since final HW is fixed now, it is possible to optimize data representation with respect to the data path. Reallife examples of such rearrangements are adaptations of data types to a microcontroller or transformation of data structures to fit the memory hierarchy favorably. This answers the questions concerning what to optimize, namely frequently time consumption, and when to accelerate, namely during all three phases of the simplified EbS design flow. This leaves open the question of how to optimize for performance.

4

Approaches to Accelerations

Using the means of design space explorations and code and data transformations the following sequence of acceleration steps is proposed. These accelerations may be categorized as either HW independent, HW nonspecific or HW dependent.

104

Paul G. Plöger

1. Algorithm Selection (AS) In this step, which is carried out during SRA, the designer chooses a suitable candidate from a family of algorithms solving the same problem. The given example of a search routine demonstrates how strongly this choice depends on the embeddedness and the timing requirements of the given specification, and how weakly it depends on the underlying controller HW. This allows HW independent accelerations yet it is driven by the requirements. 2. Algorithm Transformation (AT) During Design algorithms are subjected to mathematical transformations. This achieves accelerations on all HW as long as the execution times for the dominant arithmetic instructions can be ordered in an expected way. This step can be called HW nonspecific. 3. Data Transformation (DT) In contrast to the two previous steps, this acceleration technique gives a pronounced feedback onto SRA, since the original data needs to be transformed. It has to be validated that this transformation of the initial specification is tolerable for the user of the EbS. To this end the quality of this transformation with respect to a metric defined by the customer has to be asserted. In combination with step AS above this step is very powerful. It mangles specification dependencies with HW dependencies and may simultaneously have impact on AS. 4. Implementation Optimization (IO) This step takes place during implementation and is a truly HW dependent optimization. Recoding in assembly language may be viewed as the last resort before changing the whole design or migrating parts of it to dedicated HW. 5. HW Acceleration (HA) This acceleration is not explicitly present in SW lifecycle models. At least two possibilities can be investigated, namely a dropin chip for controllers, or the addition of special purpose HW. Algorithm categories comprise e.g. divide and conquer, iterative, incremental, dynamic programming, table driven etc. AT applies mathematical rules and / or rules from computer science to make an given algorithm candidate run faster under the given constraints. IO optimizes such a tuned candidate for a specific HW. AS, AT and IO may be viewed as three acceleration dimensions of finer and finer granularity. Although the proposed sequence of acceleration steps refines EbS development at different points, relatively little may be gained from any one of these acceleration steps in isolation. Only their combination results in a substantial improvement. Steps 1, 2, 3 and 4 above follow SW optimization patterns but they get a special flavor because of the EbS application context. Although ordered in a linear way, cycles between accel-


105

Table 1. Overview of design phases, methods of optimization and tool support System Requirement Analysis

Design

Implementation

Language

natural language, ob- JAVA, C++, C, VHDL, machine code ject oriented analysis, Verilog SDL, Statecharts, Petri nets, Annotated automata etc

Task

functional description, architecture definition, coding and target design space code

Acceleration Spare resource identi- mathematical transmethod fication, actor, sensor forma-tions, data transformations timing behavior and QoS tradeoffs

machine dependend optimizations

Acceleration Requirement delega- 2. Algorithm Transformation, and step tion, and 1. Algorithm Selection 3. Data Transformation

4. Implementation Optimization and 5. HW Acceleration

Tool

Trace tool, emulator

High level simulator

profiler, coverage analyser

erations may occur. As will get clear in the next section, DT can feedback substantially on the earlier steps of AS and AT. This succession of acceleration steps also indicated the second to last row of Table 1 has been motivated by a formula adapted from Hennessy and Patterson [9]. Their approach to actually measure typical application programs with respect to different instructions sets is instrumented here as an outline for the sequence of acceleration steps during EbS design. We express the execution time per program invocation, measured in seconds as a product of four – instead of originally only three – factors, in equation (1). AS tries to choose the adequate algorithms encapsulated into functions making up the whole EbS behavior. AT either minimizes the number of instructions per function in the second fraction, or attempts to lower the third term by avoiding cycle expensive instructions. The third fraction expresses how time depends on the instruction set of the target microcontroller, thus it relates to IO. DT will lower the costs of the second and third term. The fourth and final fraction takes care of the increasing clock speed in current controllers. As noted above only the last two quotients are truly HW dependent. step 2 ,3 step 3 ,4 5 64step 7148 6 78 6 78 6step 78 sec functions instrc . cycles sec = × × × program program funct . instrc . cycles

(1)

106

5

Paul G. Plöger

Results

To illustrate the acceleration steps we look at a nontrivial application example. Due to the lack of space only AS, AT and DT will be covered here, for the other steps see [16]. For this we take a working model of an electronic diesel controller (EDC), which is used by the kind permission of the Robert BOSCH GmbH [17]. This example application has to compute the fuel quantity to be injected into the corresponding cylinder for every working stroke of the engine. The characteristic data of the system and its controller behavior is all stored in static data tables. They constitute an essential part of the initial EbS specification. The whole example is given as an executable behavior of the technical system including its environment. Yet the code did not comprise the final implementation since it used e.g. floating point arithmetic in many parts and had a monolithic structure. The total object code size is actually over 300K, after a thorough system profiling though it turned out that a twodimensional bilinear interpolation constituted the most critical kernel routine. Test Algorithm: Let (a,b) denote a point inside a two dimensional finite grid in the plane not necessarily lying on the grid lines. At each grid point an interpolation value Tij from a characteristic field is given. Then a twodimensional bilinear interpolation algorithm to find the value of the field at (a,b) is given by: 1. search for an I such that the I-th interval on first axis contains a. 2. search for a J such that the J-th interval on second axis contains b. 3. evaluation part: get the four table values Tij at the corners of I x J and perform three onedimensional linear interpolations in a certain order between all four values Tij. The initial model implemented the function evaluation literally as searching twice followed by three one dimensional interpolations, which is not optimal and can therefore be subjected to our sequence of acceleration steps. For the search phases in 1. and 2., a worstcase and an average case analysis was carried out. In the original source the search is implemented as a simple for loop which is an incremental type algorithm. The average number of loop iterations is N=2, where N is the number of intervals. In all data tables found in the original EDC, the table dimensions N are at the most 17, and about 8 on average. There are many other wellknown ways to perform searches like bisection, fibonaccian or interpolation search. Most of them possess a lower average complexity, and thus bisection search seemed a reasonable alternative choice. The search loop repetition count is proportional to log2N so about ~ 3 on average, which gives a reduction of 25 % in the execution count for the loop body. But the loop body of the bisection search variants contains more operations than for the linear search. To figure out which implementation


107

outperforms the other, the average iteration count for both search loops must be calculated and then multiplied by the loop body cycle costs. Let Cbi and Clin denote coefficients for cycle times – including costs of compare operations – for the two search loop bodies. Then the following equation must be solved:

∑ i ⋅C N

i =1

N

lin

=

! N +1 ⋅ C lin = log2 N ⋅ C bi 2

(2)

Doing a design space exploration for a whole span of different compilers and processors yields the coefficient data in Table 2. Solving equation (2) for the controllers mentioned in Table 2 the linear lhs of the equation intersects the graph of the dyadic logarithm on the rhs between 14 and 24. As pointed out above, the EDC as an embedded system has a fixed predefined number of data tables. Taking into consideration the sizes of the used data fields, it turned out that just in the case of dimension 17 bisection search will marginally outperform linear search on SUN and X86 processors. Now it can be concluded that remarkably, in an EDC context, AS favors a linear search algorithm over the seemingly faster search by bisection. A thorough algorithm comparison for a set of processors, spanning from slow 8 bit microcontrollers up to fullfledged 32 bit RISC processors proves, that sequential search prevails as the faster choice over a wide variety of different underlying standard CPUs. This is only possible since all table data and limits were fixed from the very beginning i.e. table data is static, which is typical for EbS design. Thus AS for the average case analysis results in the recommendation to use a sequential search algorithm, based on the small size of the original data tables. The choice of algorithm does not depend on the underlying HW for the average case analysis. Table 2. Coefficients for different compilers and controllers controller

8051

80166

X86

SUN

compiler

Keil

Gcc

gcc

gcc

Cbi (cycles)

1260

38

19

10

Clin (cycles)

468

16

9

5

When a worstcase analysis is performed, the independency of the underlying HW is even easier to prove: no other search algorithm based on comparisons has a lower worstcase execution time complexity then bisection search, see [12]. Knuth also shows, how algorithmic variants allow the adaption of this divide and conquer type algorithm to microcontrollers which lack division,

108

Paul G. Plöger

multiplication or shift instructions. But all these variants yield an inner loop complexity which is significantly higher than that observed for the inner loop performed during linear search. The selection of the actual algorithm does not depend on HW, rather on a given lower bound for algorithmic complexity. So the conclusion of the previous paragraph also holds true for this analysis. AS thus produces a HW independent result: use either algorithm on any common HW with the final decision depending on the kind of needed worst case timing behavior. Next AT is applied to the remaining evaluation part. Various algebraic reformulations of the evaluation formula numbered I to IV are mainly distinguished by their multiplication and division count, see Table 3. Microcontrollers show a ratio of cycles times for divisions and multiplications mostly in the neighborhood of 2, thus variant III appears favorably. Equation II is beneficial for a controller where divisions last at least three times as long as multiplications. During DT divisions may be replaced by shifts, which consequently makes III the best choice, since it uses as many multiplications as IV, but less data space. Since the result of AT only depends on the mild assumption about the ordering of the instruction execution time of multiplication and division the results of this acceleration step can be applied in an HW nonspecific manner. Accelerations were possible without fixing a concrete HW choice up to now, just very weak and commonly fulfilled timing constraint sufficed to apply AT successfully. Table 3. Multiplication and division count after AT Variant

Multiplic.

Divisions

Table size ratio

Comment

I

4

4

1

Original

II

6

1

1

min. divisions

III

3

2

1

min. multp. needs fix.p.

IV

3

0

5

increased table size

Finally a DT step is applied. Observe that if the table data lies on an equidistant grid, the search routines may be replaced all together by simple integer divisions with remainder. Carrying this train of thought one step further, these division again can be avoided if the grid contains only data points lying on domain values which are powers of two, since then divisions can be replaced by cheap shifts. Now carrying out this transformation mangles the so far linear flow of accelerations. Since transforming the original data means changing the initial requirements and precautions have to be taken to ensure


109

that this is indeed feasible. It can be achieved using the highlevel simulation on SRA level. Secondly the application of DT requires a new iteration through AS and AT since in the given case, the search algorithm selection and also some of the algorithm transformations become obsolete now. Figure 1 collects names of variants and the accelerations steps applied to form different variants of the original algorithm Ipol2. The vertical axis gives the used cycles. The algorithms BiLin and MyIpol2 keep an unoptimized linear search part but transform the evaluation part of the interpolation using AT. The step from GMDIpol2 to GMDIpol2opt combines twodimensional evaluation (AT) with the fast search algorithm (AS). Finally for the last two variants WIpol2 and WIpol2opt DT has been applied such that search is replaced by integer division and shift operations on a power of two mesh, respectively. GMDIpol2opt uses a linear search with a minimal six multiplications and one division formula (variant II), while WIpol2 uses transformed data with divisions replaced by shifts (variant III). The plot contains an upper and lower bound, the measured performance and the predicted performance using a trace based timing prediction tools for a X86. The bounds are calculated from the minimal and maximal cycle times for the multiplication and division operation, by which we can estimate the expected variance of the cycle time prediction. The variants from left to 1,60E+06

timed Cycles

1,40E+06

timed-lower 1,20E+06

timed+upper predicted Cycles

1,00E+06

8,00E+05

6,00E+05

Algorithm Selection

4,00E+05

Algorithm Transformation

2,00E+05

0,00E+00

Data Tr. GMDIpol2

GMDIpol2opt

Wipol2

Wipol2opt

timed Cycles

1,17E+06

Ipol2

9,14E+05

BiLin

8,52E+05

MyIpol2

7,73E+05

5,87E+05

5,54E+05

2,34E+05

timed-lower

1,10E+06

8,01E+05

7,39E+05

7,03E+05

5,02E+05

5,11E+05

1,91E+05

timed+upper

1,40E+06

1,28E+06

1,22E+06

1,00E+06

8,61E+05

6,91E+05

3,71E+05

predicted Cycles

1223409

1014057

957429

860574

676962

579612

279873

Fig. 1. Progress of cycle time savings with respect to implementation variants induced by different acceleration methods

110

Paul G. Plöger

right show a decreasing variance between upper and lower bounds because of a fading number of datadependent operations. The overall winner WIpol2Opt blends AT with a special data representation. One observes a substantial drop in cycle count, from 0.55 million down to 0.23 million, which is more than twice as fast as WIpol2. In comparison to the original implementation, this routine runs five times as fast and compared to the fastest implementation using the original data representation GMDIpol2opt, still a factor of 2.5 is gained. The suggested acceleration steps of AS, AT, DT may be applied to many of the embedded applications which contain numerical algorithms or are data dominated e.g. nontrivial control algorithms, data compression, digital imaging or sound processing. There is an accompanying analysis part for the developed acceleration flow which can be integrated into an overall design flow for EbSs. It is advisable to choose a controller with the instruction spectrum of the algorithm to be executed in mind, but simultaneously to postpone the decision as long as design decisions and accelerations can be made independent of it. These higher level techniques have an impact already in early design phases, and as pointed out, AS was more strongly influenced by specification data than it depended on HW. This holds equally true for the AT acceleration applied to yield shorter execution times. As summarized in Table 3, a very weak prerequisite, like multiplications are faster then divisions, results in an HW nonspecific choice for one certain algorithm representation. Still the final identification of an `òptimal'' algorithmic representation has to be done with respect to a fixed controller candidate e.g. it might not be necessary to minimize multiplications for a DSPtype controller at all, since they only cost a single cycle, while it proves even more necessary for this kind of architecture to avoid divisions, which can be extremely slow on those types of controllers. Many examples of EbS specifications and parts thereof have successfully been subjected to the proposed design space exploration in combination with the suggested flow of accelerations. Among them there are examples from robotics, multimedia and sensor filtering.

6

Summary and Conclusion

EbS design flows which start from a working specification allow a detailed performance analysis of the behavior before the final implementation. Most of the accelerations in the proposed EbS design flow are applicable without a detailed knowledge of the underlying HW. Thus the contributions of this paper are threefold: if an EbS design flow is based on a working specification, one can investigate performance issues at early phases of the design thus lowering execution time. Secondly, evidence is given that for the studied examples AS, AT and DT are only weakly HW dependent and can therefore be applied in nearly the same way as during pure SW design flows. Lastly, accel-


111

eration steps can be usefully embedded during all phases of the EbS design flow, and are consequently less localized at one single spot, rather must be viewed as scattered over the whole design flow. HW/SW codesign is certainly more demanding then SWonly designs, not only because of the added degree of freedom, but rather because it is much more intricate to keep in accordance with wellestablished principles, such as the separation of concerns or the restriction of changes to localized areas.

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Zero-Day und Less-than-Zero-Day Vulnerabilities und Exploits Risiken unveröffentlichter Sicherheitslücken Hartmut Pohl Fachbereich Informatik

Gegen unveröffentlichte – nur wenigen Personen bekannte – Sicherheitslücken (Less-than-Zero-Day Vulnerabilities) und diese ausnutzende Angriffsprogramme (Exploits) können IT-Systeme nicht geschützt werden. In der Vergangenheit wurden Sicherheitslücken meist dem Hersteller gemeldet; dieser stellte (allerdings nicht in allen Fällen) eine Fehlerkorrektur zur Verfügung. In jüngerer Zeit werden Sicherheitslücken systematisch (Tool-gestützt) gesucht und an Behörden, Unternehmen und an die organisierte Kriminalität verkauft – und nicht oder nicht sofort dem Hersteller gemeldet. Durch Ausnutzung dieser unveröffentlichten Sicherheitslücken ist Wirtschaftsspionage und Computersabotage (auch der Steuerungsrechner des Internet) unerkannt möglich [GI 2007]. Praktizierte Anwendungen sind – u.a. auch als Titan Rain – dokumentiert [BfDI 2007, Keizer 2006, NSTAC 2007, Pohl 2007, Rath 2007].

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Lebenslauf von Sicherheitslücken

Der Lebenslauf von Sicherheitslücken kann grundsätzlich in drei Zeitabschnitte gegliedert werden – vgl. Abb. 1: • einen scheinbar Sicherheitslücken-freien Abschnitt, • einen Abschnitt, in dem die Sicherheitslücken erkannt und ggf. ausgenutzt wird und • einen Abschnitt, in dem die Sicherheitslücke veröffentlicht ist und der Hersteller eine Fehlerkorrektur entwickelt.

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Hartmut Pohl

Vulnerability-free Phase - seemingly

Product Shipment

Vulnerability discovered and used

Exploit published published

Exploit

Vulnerability disclosed: Manufacturer …

Patched System

Patch

Zero Vulnerability Vulnerability discovered discovered

Vulnerability Vulnerability Day published

Grey Risk

Black Risk

White Risk

Fix, Patch, Update, Version …

Abb. 1. Lebenslauf von Sicherheitslücken

1.1 Sicherheitslücken Software kann nicht fehlerfrei hergestellt werden; Sicherheitslücken eines ITSystems (Betriebssysteme etc. bis hin zu Anwendungssoftware und Sicherheitsprogrammen wie Firewalls, Virensuchprogrammen etc.) können zufällig erkannt werden. Meist werden sie aber systematisch mit Tool-Unterstützung [Bachfeld 2006] gesucht und mit einem entsprechenden Exploit als Proof of Concept nachgewiesen [Eidenberg 2006, Martinez 2007, Metasploit 2007] und (häufig) dem Hersteller mitgeteilt. 1.2 Herstelleraktivitäten Je nach Bedeutung der Vulnerability entwickelt der Hersteller eine Fehlerkorrektur (Patch) und veröffentlicht sie (ggf. zusammen mit der Vulnerability). Allerdings haben die Hersteller Microsoft, Apple, Oracle, Cisco und Sun im ersten Halbjahr 2007 für 21 % der veröffentlichten Sicherheitslücken keinen Patch entwickelt; andere Herstellern sogar für 60 % nicht [Fox 2007, IBM 2007, Symantec 2007]. Die (wohl durchschnittliche) Entwicklungszeit für einen Patch (und die zugehörigen Tests) wird – nach früher erheblich längeren Zeiten [Krebs 2006] – inzwischen mit (kontinuierlich verkürzten) 21 Tagen (Microsoft), 101 (HP) und 122 Tagen (Sun) angegeben [Parson 2007]. Allerdings muss auch die (Sicherheits-)Qualität eines Patches bewertet werden [Arora et al. 2004].

Zero-Day und Less-than-Zero-Day Vulnerabilities und Exploits

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1.3 Zero-Day Vulnerabilities und Exploits Der Tag der Veröffentlichung der Vulnerability wird als Zero-Day [Porter o.J., Shimel 2006] bezeichnet: Angreifer nutzen die Zeit zwischen Veröffentlichung der Vulnerability und Installation des Patches, um Systeme mit so genannten Zero-Day Exploits zu penetrieren. 25 % der Exploits wurden innerhalb von 24 Stunden nach der Veröffentlichung einer Vulnerability entwickelt; 31 % binnen 6 Tagen [Parson 2007]. 1.4 Less-than-Zero-Day Vulnerabilities und Exploits Das Zeitintervall zwischen dem Erkennen einer Vulnerability und ihrer Veröffentlichung [Arbaugh et al. 2000, Browne et al. 2000, Jones 2007, Schneier 2000] wird als Less-than-Zero-Day [Arbeitskreis 2007, Ma Huijuan 2007, Shimel 2006] bezeichnet – vgl. Abb. 1. Nach Patchen des Systems beginnt der 'Lebenslauf' wieder beim Product Shipment. Andere Bezeichnungen finden sich [Browne et al. 2000, Rescorla 2004]. Less-than-Zero-Day Vulnerabilities können mit einem zugehörigen Lessthan-Zero-Day Exploit grundsätzlich erfolgreich angegriffen werden [Anderson 2001]: Für unveröffentlichte Sicherheitslücken existieren keine spezifischen Schutzmaßnahmen; der Angegriffene kann den Angriff jedenfalls nicht (direkt) erkennen [Shimel 2006]. Sicherheitsprogramme wie z.B. Virensuchprogramme, Intrusion-Detection-, Intrusion-Protection-Systeme etc. können naturgemäß nur die Angriffe erkennen, deren Eigenschaften wie Bit-String (Signatur) oder Verhalten (Heuristik) sie kennen [iDefense 2007b]. Von den im 1. Halbjahr 2007 veröffentlichten 3.273 Sicherheitslücken können 90 % erfolgreich über das Internet (remote) ausgenutzt werden; mehr als 50 % dieser Sicherheitslücken ermöglichen Administratorrechte [IBM 2007]; entsprechendes dürfte für unveröffentlichte Sicherheitslücken gelten. 1.5 Markt für Sicherheitslücken Einige Sicherheitslücken werden in Mailing- oder anderen Listen [Bugtraq 2007, Mitre 2007, SecurityFocus 2007, VulnWatch 2007, Zero Day Initiative 2007a, 2007b] veröffentlicht. Zunehmend weniger werden dem Hersteller mitgeteilt – vielmehr bemühen sich Unternehmen, sie gegen Entgelt anzukaufen [IBM 2007, iDefense Labs 2007a, Immunity 2007, TippingPoint 2007], um ihren Kunden Schutzmaßnahmen empfehlen zu können. Internet-Auktionen wurden vorgeschlagen [Ozment 2004] und realisiert [Heise 2006a, 2007, Wabisabilabi 2007]. Sicherheitslücken werden auch verdeckt von Behörden (Nachrichtendiensten) und Wirtschaftsspionage-Treibenden, von der organisierten Kriminalität und auch von Botnet-Betreibern [Bächer 2005] angekauft oder sogar in deren

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Hartmut Pohl

Auftrag gesucht [McAfee 2006, Naraine 2006, Royal Canadian Mounted Police 2006, Stone 2007]. Für Sicherheitslücken existiert also ein offener und ein verdeckter Markt [Böhme 2005, 2006, Camp et al. 2004, Miller 2007]. Gerade der Untergrundmarkt entwickelt sich schnell [Danchev o.J.]. Vielfach sind Überlegungen zur Verbesserung der Marktsituation angestellt worden [Arora et al. 2004, 2005, Bonner 2002, Christey 2002, Kannan 2005, Schneier 2000, 2007] – allerdings nur unter dem Aspekt des Herstellernutzens (z.B. durch geringe Preise) für dokumentierte Sicherheitslücken [Böhme 2006, Ozment 2004, Rescorla 2004, Schechter 2002]. In jüngerer Zeit wird in den USA für Less-than-Zero-Day Vulnerabilities konsequenterweise eine Mitteilungspflicht an das Department of Homeland Security (DHS) diskutiert [Rollins et al. 2007]. Entgegen öffentlichen Forderungen [GI 2007] plant das deutsche Bundesministerium des Innern jedenfalls keine Mitteilungspflicht erkannter Sicherheitslücken an die Regierung oder auch nur eine Verpflichtung der Behörden zur Veröffentlichung behördenbekannter Sicherheitslücken [BMI 2008]. Durch die Geheimhaltung von Sicherheitslücken wird also Kriminalität wie Wirtschaftsspionage gegen deutsche Unternehmen und Terrorismus direkt gefördert. 1.6 Angriffsablauf Exploits Ein Exploit ist spezifisch für eine konkrete Vulnerability; daher muss die anzugreifende Software mit Version, Update, Build bekannt sein; zu einer Vulnerability können mehrere Exploits existieren. Exploits bestehen aus Programm- oder Skriptcode (Payload) – einer Folge von Befehlen und sind daher spezifisch für die benutzte Prozessorarchitektur oder das jeweilige Programm – sowie ggf. dem sog. Offset: Daten, die z.B. für einen Buffer Overflow übertragen werden wie der einzuschleusende Programmcode und die Rücksprungadresse [Breirer 2006]. Exploits können selbst Sicherheitslücken enthalten. Anpassung an das Zielsystem Sofern die Systemkonfiguration aus mehreren Rechnern (Mehrrechnersystem mit Servern, sequentiell angeordneten Firewalls etc.) besteht, muss zu jeder Hardware die anzugreifende Software ermittelt werden und es muss auch jeder Rechner mit einem (ggf. anderen) Exploit erfolgreich angegriffen werden; für komplexe Hardware-/Software-Konfigurationen wird ein Analyseverfahren vorgeschlagen [Schneier 1999]. Allerdings kann ein Angriff auch einen der ggf. durchgehend offenen Ports ausnutzen.


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Angriffsziel Angriffe zielen auf die Zuweisung von möglichst umfangreichen Zugriffsrechten (Administrator), um Daten zu lesen oder zu schreiben; dazu werden z.B. auch Rootkits eingeschleust, die eine Virtualisierungsschicht zwischen Hardware und Betriebssystem oder über dem Betriebsystem installieren, um nicht-auditierbar arbeiten zu können [Garfinkel 2007, Heise 2006b, Rutkowska 2006]. Fehlender Schutz Zwar kann Sicherheitssoftware bekannte Exploits erkennen – dies gilt jedoch nicht für noch unveröffentlichte Sicherheitslücken und die zugehörigen Exploits. Ein Angreifer kann evtl. hinterlassene Angriffsspuren (auch in Protokollen) löschen und die Software zurücksetzen, so dass der Benutzer den erfolgten Angriff auch im Nachhinein nicht erkennen oder gar nachweisen kann.

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Tools zur Erkennung von Sicherheitslücken und zur Entwicklung von Exploits

Fuzzer sind Tools zur systematischen Generierung (brute force) von Eingabewerten für Programme; durch Fehlverhalten des Programms können Sicherheitslücken entdeckt werden, die mit Code-Audits noch nicht erkannt wurden [Miller 2007]. Beispiele für Fuzzer sind AxMan, FileFuzz, FTPStress Fuzzer, OWASP JBroFuzz, Smudge und Spikefile [Bachfeld 2006]. Das Metasploit Framework [Metasploit 2007] enthält Informationen über Sicherheitslücken; es ist ein Werkzeug zur Entwicklung und Ausführung von Exploits und enthält ein Shellcode-Archiv [Beirer 2005]. Weitere Tools sind CANVAS [Immunity 2007] und Core Impact [Core Security Technology 2007]. Beispiel-Shellcode findet sich auch an anderen Stellen [shellcode.org 2007]. 2.1 Angriffe erkennende und erschwerende Maßnahmen In jüngerer Zeit wird in den USA diskutiert, den durch unzureichende Sicherheitsmaßnahmen entstandenen Verlust 'sensitiver Daten' unter Strafe zu stellen [Rollins et al. 2007] und ein gesetzlich vorgeschriebenes MindestSicherheitsniveau für Unternehmen und Behörden durchzusetzen. 2.2 Zugriffskontrolle Administratoren und Benutzern dürfen nur die unverzichtbar benötigten Zugriffsrechte zugeteilt werden. Firewalls (packet filter, stateful inspection, application level), Proxies und Verschlüsselung kontrollieren Zugriffe.

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Virensuchprogramme und Intrusion Detection (IDS) und Intrusion Protection Systeme (IPS) können alle vom Hersteller berücksichtigten Sicherheitslücken und Exploits erkennen. 2.3 Verbindungspolitik und Datenübertragungsrate Zu den begrenzenden Faktoren gehört in erster Linie eine restriktive Verbindungspolitik des Zielsystems zum Internet oder physisches Abschalten bei Nicht-Nutzung (der Sleep-Modus ist unzureichend); weiterhin wirkt die zur Verfügung stehende Datenübertragungsrate des Zielsystems begrenzend. Gegen unberechtigte Zugriffe aus lokalen Netzen, Intranets, Extranets und dem Internet sind Stand-Alone-Systeme besser geschützt: Physisch von Netzen getrennt. 2.4 Sicherheitsqualität eingesetzter Software Grundsätzlich kann bei Software (insbesondere Sicherheitssoftware) und Hardware durch die Evaluierung und Zertifizierung nach ISO/IEC 15408 (Common Criteria) ein höheres Sicherheitsniveau erreicht werden; dies gilt insbesondere für das Evaluation Assurance Level EAL 4 ('methodisch entwickelt, getestet und durchgesehen') und höher [ISO 15408]. 2.5 Fehlerkorrekturen Bekannte Sicherheitslücken oder Exploits sollten durch überprüfte Fehlerkorrekturen (Bypass, Fix, Hotfix, Patch) behoben werden (Patch-Management). Automatische Fernwartung und automatisches Updating muss allerdings verhindert werden. 2.6 Arbeitsumgebung Mit dem Booten von – und Abspeichern der Nutzdaten auf – portablen (ggf. read-only) Datenträgern wie CD-ROM, Festplatten, USB-Sticks o.ä. kann eine festgelegte Arbeitsumgebung (Sandbox) geschaffen werden; diese Arbeitsumgebung ist schwerer manipulierbar. 2.7 Hardware-Komponenten Die Geschwindigkeit der Komponenten Prozessor, Hauptspeicher und periphere Geräte etc. kann begrenzend wirken.


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2.8 Prüfsummen und Protokollierung Änderungen an Programmen und Nutzdaten können mit wiederholtem Einsatz von Prüfsummenverfahren erkannt werden. Mit forensischen Maßnahmen wie Protokollierung der Rechnernutzung und Auswertung können Angriffe erkannt werden. 2.9 Quellcode-Analyse Anwendungssoftware kann Tool-gestützt getestet werden und der Quellcode auf sicherheitsrelevante Fehler überprüft werden [debian 2007, Gerkis 2007, OWASP 2007]. Acknowledgments Mein großer Dank gebührt allen engagierten Studierenden, die sich im Rahmen des Software Development Lifecycle intensiv mit der Bewertung des Sicherheitsniveaus von Software mit Hilfe von Exploiting Frameworks, Fuzzern, Threat Modeling, Source Code Analysis etc. beschäftigt haben. Für die kritische Durchsicht danke ich Herrn Dipl.-Inform. Gerd Hofemann.

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Autonomous Design of Experiments for Learning by Experimentation Erwin Prassler1, Björn Kahl1, Timo Henne1, Alex Juarez1, and Monica Reggianni2 1

b-it Applied Science Institute, Department of Computer Science

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Dipartimento di Ingegneria e Gestione dei Sistemi Industriali, University of Padua, Italy and visiting professor at the University of Applied Sciences Bonn-Rhein-Sieg

In Artificial Intelligence, numerous learning paradigms have been developed over the past decades. In most cases of embodied and situated agents, the learning goal for the artificial agent is to „map“ or classify the environment and the objects therein [1, 2], in order to improve navigation or the execution of some other domain-specific task. Dynamic environments and changing tasks still pose a major challenge for robotic learning in real-world domains. In order to intelligently adapt its task strategies, the agent needs cognitive abilities to more deeply understand its environment and the effects of its actions. In order to approach this challenge within an open-ended learning loop, the XPERO project (http://www.xpero.org) explores the paradigm of Learning by Experimentation to increase the robot's conceptual world knowledge autonomously. In this setting, tasks which are selected by an actionselection mechanism are interrupted by a learning loop in those cases where the robot identifies learning as necessary for solving a task or for explaining observations. It is important to note that our approach targets unsupervised learning, since there is no oracle available to the agent, nor does it have access to a reward function providing direct feedback on the quality of its learned model, as e.g. in reinforcement learning approaches. In the following sections we present our framework for integrating autonomous robotic experimentation into such a learning loop. In section 1 we explain the different modules for stimulation and design of experiments and their interaction. In section 2 we describe our implementation of these modules and how we applied them to a real world scenario to gather target-oriented data for learning conceptual knowledge. There we also indicate how the goaloriented data generation enables machine learning algorithms to revise the failed prediction model.

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Erwin Prassler et al.

A Framework for Design of Experiments

We propose a framework for designing experiments to be executed by a robotic learner which implements the paradigm of Learning by Experimentation. This framework integrates a stimulation and a design of experiments component which interact by using available knowledge about the environment. The design component consists of two parts which address the exploration of the feature space and the actual experimentation, which is the focus of our framework. It serves the purpose of designing and executing sequences of robot actions (experiments) in order to collect target-oriented data that afford learning new concepts. The output of the experimentation module is thus intended to provide a machine learning algorithm with data in a format appropriate for learning conceptual knowledge.

Fig. 1. The proposed framework for autonomous design of experiments.

1.1 Available Knowledge The components for stimulation and design of experiments rely on information available to the autonomous agent, that describes and relates robot actuation and sensing capabilities and knowledge about the environment. We define the available knowledge as the aggregate of the following information:

Autonomous Design of Experiments for Learning by Experimentation

127

• Α, the set of actions that the robot can execute. Each action a1 ∈ Α is defined in a set of parameters θ1, θ2, … ,θn which must be assigned values before the actual execution of the action. • F, the set of features which are extracted from the robot’s sensor data. These features range from direct sensory data such as odometry and bumper signals, over object characteristics (e.g. color, size, pose) to more complex constructs such as predicates in first-order logic, e.g. position(object,X,Y, time). • M, the set of models of the worlds. These models represent the current beliefs of the agent on the effects that its actions have on the environment (e.g. „if a ball is hit with a force f at time t, it will move with velocity v in direction d until it comes to a stop at a time t2 with t2>t1“). Any of these parts of the agent knowledge, but especially the set of models M, are subject to revision and extension along the cognitive evolution process of the agent, facilitated by our proposed framework. 1.2 Design of Experiments The process of discovering new concepts in robotics is still not well-defined in the state-of-the-art research literature. The existing solutions mostly focus on very specific domains. Consequently, no established general procedure exists which could be employed in determining the sequence of actions (experiment) that will successfully lead to an improvement of the agent's knowledge. According to [3] the process of knowledge abstraction should involve four steps: act, predict, surprise, and refine. The structure of our framework follows these steps that have been implemented in three modules: exploration (Sec. 1.3) stimulation (Sec. 1.4) and experimentation (Sec. 1.5). The exploration module organizes how the agent uses its current knowledge to act, i.e. it selects and executes actions (A) to achieve predefined goals or to explore its environment. At the same time the stimulation module continuously observes the robot actions (A), extracts information about the environment as features (F) from sensor data and predicts the behaviour of these features by using the current knowledge, represented by models M. When an unexpected phenomenon (a surprise) is observed, a signal is sent to the experimentation block. The experimentation module collects information about the experienced surprise through the selection of action sequences (experiment). These sequences are designed to provide relevant data to the learning module, thus starting a process of revising and refining the current model M in order to improve its predictive capabilities.

128


1.3 Investigating the Environment: Exploration The task of the exploration module is to identify which paradigm will provide relevant information from the environment. As experimental paradigm we define a distinguishable class of experimental situations, i.e. distinctively different ways in which the agent investigates the environment [4]. The initial set of experimental paradigms (P) is built from the set of elementary actions A that the robot can execute. In later stages, the autonomous agent will try to produce new experimental paradigms, e.g. by combining known paradigms [4], also taking into account the cost and complexity of their execution. Choosing the most suitable paradigm from P and the combination of its elements is a difficult task. One solution lies in applying a heuristic to choose an appropriate paradigm, taking into account the current knowledge, the costs of the experimental paradigms, and the exploration goal(s). In our framework we introduced three initial heuristics suggested by [5]. One heuristic (HgoalSeeking) chooses an experimental paradigm known to change a feature in F with the objective of modifying its value with a certain relation to a target value. A second heuristic (HnoEffect) explores the paradigms that apparently have no effect on the environment. This heuristic aims at validating current beliefs on these paradigms, and tries to produce effects which had not been encountered previously. Finally, the heuristic (Hrandom) explores a randomly selected paradigm with randomly defined parameters. By applying these heuristics, we can guarantee that after a reasonable execution time, the system will have investigated even the paradigms which are not so promising, but that could still contribute to the creation of new models M. 1.4 From Exploration to Experimentation: Stimulation A central question within Learning by Experimentation is when to stop exploring the environment heuristically, and start the design and execution of Experiments. We believe that in order to facilitate autonomous, open-ended learning, the trigger of the experimentation phase should be intrinsic, automatic, and at the same time related to the robot's experience during the exploration. In this work we propose the use of a robotic surprise mechanism to stimulate the design of experiments. The application of artificial surprise in various fields such as evolutionary and developmental robotics, social agents, and human-machine interaction have shown the effectiveness and scalability of employing this concept. In the literature we can find examples of the integration of artificial surprise to active vision and adaptive learning [6, 7, 8, 9], as well as approaches to robot exploration of a partially unknown environment [10, 11] and [12, 13]. These approaches share the idea that surprise is the result of an observation that diverges from an expectation.


129

The surprise mechanism used in this paper combines several elements from the mentioned approaches to artificial surprise and works under the assumption that the knowledge available to the robot can predict and explain any observation derived from the effect of the robot actions on the environment. To achieve this, each action ai ∈ A is associated with one or more models mi ∈ M. If an action brings about an observation that diverges from the prediction offered by the associated model, this is considered as surprise. The robot recognizes events that are candidate to surprise on two different levels of abstraction. The first level is directly related to the sensory input data and simulates a reflex to these events. At this level, the model is an estimation of the underlying probability distribution of the sensor data where such distribution is updated periodically as the robot executes its actions. The second level of abstraction uses available knowledge represented as first-order logic models or qualitative models to attempt an explanation of physical phenomena associated to the execution of an action, for example the rolling of a ball after the robot has pushed it. Before the execution of an action, the models predicting its effects are loaded into memory. During execution, the sensor data is converted into the corresponding representation and compared online with these models. If the observation shows a divergence from the expected effect, a signal indicating a prediction failure is produced. This surprise can be characterized as a disconfirmed active expectation. 1.5 Experimentation The experimentation module receives a surprise signal from the stimulation module whenever an observation diverges from the prediction. This signal contains information about the initial state of the environment as perceived by the robot, the experimental paradigm and the parameter values which generated the surprise, and the prediction rule which failed. The agent must identify those features of the initial states and those distinctive parameters of the experimental paradigms which were relevant to the prediction failure, in order to avoid storing too much redundant or irrelevant data. Early attempts to form equivalence classes in collected data can be found in [14] using k-means clustering algorithm and support vector machines (SVM) to define affordance relations [15]. While these approaches attempt to directly identify the final relations that will be part of robot knowledge, our goal here is instead to provide a heuristic that can drive the agent in the experimentation phase. The correct identification of the initial situation and paradigm can reduce the search space for learning algorithms significantly, which is critical for the task of learning high-level concepts, such as models in first-order logic. Errors in this identification process will most probably result in an ineffective learning phase, however the overall correctness of the framework is not affected.

130


An additional improvement of the framework, and part of our future work, is a mechanism to define the importance of the stored surprises. As suggested in [16], exploration may be achieved by selecting actions and / or states which have been selected less frequently or less recently. The importance of a surprise can therefore be inversely related either to its age or to its recency, i.e. the time during which a surprise did not occur.

2

Framework Implementation

Starting from the description presented in Section 1 we developed a first implementation of the proposed framework. The system was designed to be easily adaptable to new experimental setups. We built a library based on the middleware ICE [21] with immutable parts (the framework algorithms) and clearly defined the interfaces where the description of the available knowledge and the interface with the real robot sensors and actuators can be provided, depending on the current setup. Thus, different robots and sensor types can be integrated without affecting the overall framework. 2.1 Application to a Real Scenario To validate the framework we used the library described above to support the collection of data within the showcase outlined in the XPERO project. This showcase features a robot located in an almost empty room with boxes blocking the room's exit. Although for a human programmer the solution to this task is straightforward, this scenario still presents a major challenge for the currently available unsupervised learning paradigms. In this work, we focused on the first two concepts that the agent should learn in the XPERO evolution of theories. For this the robot, an educational embodiment named Eddy (see [17]), is situated in a free space with static and movable objects (Figure 2). Additionally, an overhead camera provided the object IDs and localisation information about the robot and the objects. The notions which can be learned in these subscenarios include the notion of static vs. movable objects and the notion of obstacles, i.e. that under certain circumstances objects prevent a robot from moving to certain places or in certain directions. Four elementary actions were implemented to define the initial set of paradigms P. Tables 1 and 2 present these actions and their parameters, respectively. The predictive rules in M available to the robot were encoded in first order logic. For the subscenarios two of them were used, given below in their Prolog notations and their associated actions: a2: move(Object,Start,Dist,End):- approxEqual(Start,End). a3: move(Robot,Start,Dist,End):- approxAdd (Start,Dist,End).


131

Fig. 2. The real environment used in our experiments

Their meaning is straightforward: 1. When the robot executes a2 on a certain object, its model predicts that the end position of the object will be approximately equal to its initial position. This knowledge cannot explain cases when the robot tries to push objects that can actually be moved, which generates a prediction failure. 2. For the execution of action a3, the model predicts that the robot end position will be approximately equal to the sum of the robot start position and the distance parameter of the action. This prediction fails for cases when the robot bumps into non-movable objects on its path. Table 1. Actions A ActionId

Parameters

a1

goInContact

objectId

a2

pushObject

objectId, pushDistance

a3

moveForward

distance

a4

rotate

angle

a5

goTo

xCoord, yCoord, orientation

132


Table 2. Parameters P Parameter

Domain

objectId

objects in the environment

pushDistance

[minPushDist, maxPushDist]

distance

[minDist, maxDist]

angle

[minAngle, maxAngle]

xCoord

[-10.0, 10.0]

yCoord

[-10.0, 10.0]

orientation

[-π, π]

Upon receiving a surprise signal, the experimentation module autonomously designs an experiment by selecting an appropriate paradigm, defining the initial states for the environment, and choosing the paradigm parameters that efficiently cover the experimental domain as shown in [18]. Once the experiment has been designed, a planner produces the sequence of actions that the robot will perform to execute the experiment. As a simple example, consider the case where the robot executes action a2 (pushObject) while interacting with a movable object, encountering a surprise and triggering the design of experiments. The framework was able to correctly identify the action generating the surprise and to design a new experiment to explore the action parameters, i.e. the object in the environment and the distance for the pushing actions, each time starting from a new robot pose. An experimental trace logged during an experimentation phase is shown in Figure 3(b). The execution of the experiments gathers the data necessary to learn a new model, which is able to correctly explain the observations made by the robot when trying to push an object, regardless of it being movable or not. Figure 3(a) depicts the simulated execution path of the plan covering several experiments by a robot in the environment previously described. As intended by our framework design, we provided the specifically targeted data generated in our experiments in a real environment to HYPER, a machine learning tool for inductive logic programming (ILP) [19]. In order to discover the desired concepts in the form of predicates, HYPER was extended to facilitate predicate invention. However, when dealing with data generated by unspecific robot actions, HYPER is not able to derive any concept, since the amount of data and possibly significant variables inevitably led to combinatorial explosion problems. Here our framework proved as a useful bias for revising the prediction model under question, since it focusses on generating


133

data for the action whose prediction model failed and produces data in a predicate form, thus limiting the number of variables to be investigated by the ILP algorithm. With these data, HYPER was able to learn the concepts of movable objects and obstacles [20], which could not be achieved with data from unspecific robot actions.

(a) goTo 0.217194 -0.894004 -2.95998 pushObject( 3, 0.351592 ) goTo 0.729848 0.347354 -0.564906 pushObject( 2, 0.540063 ) goTo 0.988094 0.214923 2.82446 pushObject( 1, 0.387043 ) goTo -1.31636 -0.310019 -1.61959 pushObject( 2, 0.122563 ) goTo 0.612992 1.32164 1.24174 pushObject( 4, 0.231988 ) goTo 1.22754 -0.198222 -0.821006 ... (b) Fig. 3. An execution trace in a simulated environment (a) that is the result of the execution of the experimental plan (b).

134

3


Conclusion and Future Work

We have presented ongoing work on a framework for integrating targeted data generation for robotic Learning by Experimentation. We explained how the different modules stimulation, exploration and experimentation work together to enable an intrinsically motivated, reasonable and autonomous switch from task execution to experimentation. Subsequently we showed how the data collection in the experimentation phase is guided by the heuristic applied in the exploration phase, and by the robotic surprise from the stimulation module. We descibed how the implemented framework library allows for a simple exchange of robots, sensors and scenarios. By applying our framework to a real world scenario, we were able to show its feasibility and demonstrate how purposeful data generation takes place which enables a learning algorithm to discover conceptual knowledge. Our current work focusses on exploring other learning algorithms and evaluate the effect of both the quality of the experiment design, and the number of the experiments performed, on the prediction accuracy of the revised model. Furthermore, we are further developing the automation of generating and evaluating experimental paradigms, and exploring other knowledge representations such as qualitative models, and test our framework with different scenarios.

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135

[9] L. Itti and P. Baldi, ‘Bayesian surprise attracts human attention’, in Advances in Neural Information Processing Systems, Vol. 19 (NIPS*2005), pp. 1–8, Cambridge, MA, (2006). MIT Press. [10] L. Macedo and A. Cardoso, ‘Exploration of unknown environments with motivational agents’, in Third International Joint Conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems, (2004). [11] L. Macedo, A. Cardoso, and R. Reisenzein, ‘A surprise-based agent architecture’, in Cybernetics and Systems, ed., R. Trappl, volume 2. Austrian Society for Cybernetics Studies, (2006). [12] F. Kaplan and P-Y. Oudeyer, ‘Curiosity-driven development.’, in Proceedings of the International Workshop on Synergistic Intelligence Dynamics, (2006). [13] P-Y. Oudeyer, F. Kaplan, and V. Hafner, ‘Intrinsic motivation systems for autonomous mental development’, IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 11(2), 265–286, (2007). [14] M.R. Dogar, M. Cakmak, E. Ugur, and E. Sahin, ‘From primitive behaviors to goal-directed behavior using affordances’, in IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems, (2007). [15] J. Mugan and B. Kuipers, ‘Learning distinctions and rules in a continuous world through active exploration’, in 7th International Conference on Epigenetic Robotics, (2007). [16] S. Thrun, ‘The role of exploration in learning control’, in Handbook for Intelligent Control: Neural, Fuzzy and Adaptive Approaches, eds., D.A. White and D.A. Sofge, Van Nostrand Reinhold, Florence, Kentucky 41022, (1992). [17] L. Bertelli, F. Bovo, L. Grespan, S. Galvan, and P. Fiorini, ‘Eddy: an open hardware robot for education’, in 4th International Symposium on Autonomous Minirobots for Research and Edutainment (AMIRE), Buenos Aires, Argentina, (October 2007). [18] F. Di Palma, M. Reggiani, and P. Fiorini, ‘Design of experiment for qualitative equation discovery: a comparison’, in Eurosim Congress on Modeling and Simulation, Ljubljana, Slovenia, (September 2007). [19] I. Bratko, Prolog Programming for Artificial Intelligence, Addison Wesley Publishing Company, 2001. [20] G. Leban and I. Bratko, ‘Discovering notions using hyper’, Technical report, University of Ljubljana, Artificial Intelligence Laboratory, (February 2008). [21] M. Henning, ‘A new approach to object-oriented middleware’, IEEE Internet Computing, 8(1), 66–75, (2004)

Hand and Finger Protection for Circular Saws Dietmar Reinert1,2,*, Norbert Jung1, and Oliver Schwaneberg1 1

Department of Computer Science

2

BGIA – Institute for Occupational Safety and Health of the German Social Accident Insurance

In the presented project, a new approach for the prevention of hand movements leading to hazards and for non-contact detection of fingers is intended to permit comprehensive and economical protection on circular saws. The basic principles may also be applied to other machines with manual loading and / or unloading. With an automatic blade guard an improved integration of the protection system can be achieved. In addition a new detection principle is explained. The distinction between skin and wood or other material is achieved by a dedicated spectral analysis in the near infrared region. Using LED and photodiodes it is possible to detect fingers and hands reliably. With a kind of light curtain the intrusion of hands or fingers into the dangerous zone near the blade guard can be prevented.

1

Finger and Hand Protection on Circular Table and Panel Saws

Circular table saws and panel saws are still an accident black spot [1]. Improvements of the blade guard have reduced the number of accidents, but severe injuries of hands and fingers are the order of the day, often due to their incorrect use during sawing. The numbers of new pension awards (250 in 1975, 102 in 1999, no fatal accidents at all at machines) clearly illustrates the sharp drop in serious hand injuries during the last 25 years. Nevertheless, we still have 2 serious hand injuries per week in Germany. This means that circular table saws and panel saws are still among the most hazardous machines of all. An analysis of almost 600 accidents in joinery shops [2] shows that less experienced users are at particular risk. Due to the fact that the use of gloves is forbidden when cutting wood at a panel saw parts of the hands or fingers can always be detected in a dangerous *

Grantham-Allee 20, 53757 Sankt Augustin, [email protected].

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Dietmar Reinert, Norbert Jung, and Oliver Schwaneberg

situation. Sensors or optical devices integrated in the blade guard ensure that the blade guard closes and the saw blade is stopped as soon as the fingers or hands enter the danger zone. In 1996 two pupils got the first price of “Jugend forscht” for a circular saw detecting the hands by a capacitive sensor and lowering the saw blade below the table when the hands came to close to the sawblade. Detailed investigations of this principle showed that the discrimination between wood and hands and fingers is not always possible by capacitive sensors. The awarded saw had a potentiometer to adjust the detection capability to the specific wood type. A wrong adjustment led to a strong reduction in availability or did not detect the hands safely. Some years later the US-solution SAWSTOP [3] showed a new way how to detect fingers safely by capacitive sensors. For detection of the fingers the saw blade had to be touched. With a special mechanism the blade was stopped in between 2 and 5 milliseconds and the sawing aggregate was lowered. With this principle injury is not prevented totally but might be reduced considerably. This solution may be used for small circular saws with a small momentum of the blade. With big blades and high turning speeds which are state of the art in industrial applications of wood working this principle cannot be used because of physical reasons. A third patented solution puts a voltage higher than 10 KV onto the blade. If the user touches the blade the electric shock leads to an evasive movement. A detailed investigation showed that the energy of the voltage on the blade is unacceptable high. Despite of that it has to be proved that the evasive movement is always into a safe direction. The following paper describes the strategies in the development of a suitable sensor for distinguishing between the hands and wood or other material.

2

Developing a Blade Guard with Automatic Closure

If one considers that many serious injuries at circular saws are caused by unintended motions when removing wood remains when the hand guiding the work piece slips, the hand or fingers must be assumed to approach the danger zone at a speed of up to 2 m/s, according to EN 999. This means that a distance of 12 cm is covered in 60 ms. The goal was therefore to develop a guard that covers the saw blade in less than 60 ms pneumatically or with spring-loading in such a way that injury to the hand is no longer possible. For reasons of cost a spring-loaded mechanism was chosen. Figure 1a shows the design details of the blade guard with its release mechanism. The automatically closing guard is fastened directly to the riving knife and is released by a solenoid. The blade guard itself is made of plastic and runs on a longitudinal

Hand and Finger Protection for Circular Saws

(a)

139

(b)

Fig 1. Automatic blade guard (a) and blade guard in action (b)

ball bearing. Drop time depends on two springs and ranges from 23 ms for 10 mm and 57 ms for 100 mm, depending on the dropping distance. As can be seen from Figure 1b, the plastic component with its automatic closure alone does not completely cover the blade. For this reason, an additional side guard has been designed that is pressed up when a board is fed through. Here, again, plastic is advisable so that the force needed to feed the work piece through the mechanical guard remains minimal. As a result of the overall design, the saw blade is completely covered when the guard is triggered. When the guard is released, the circular saw motor cuts out simultaneously. Since the blade guard is 45 mm wide1, it is still in principle possible for a finger to be struck by the plastic component. To ensure that no injuries occur, the dynamic forces have been measured. The instrument employed for this is specially designed for the hand / finger region. This is made possible by a spring incorporated in the instrument that has a stiffness of 500 N per millimetre. This value is approximately equivalent to that of a hand. During

1

According to EN 1870-1, 5.2.7.1.1, the width should not exceed 30 mm when the blade guard is attached at the riving knife. This would have to be incorporated on a new design.

140


measurement, brief (< 200 ms) maximum values of 120 N were achieved [4]. These values are well below the values specified in EN 12453. A test with several test subjects additionally showed that neither crushing nor any other brief impairment of the finger occurs.

3

Distinguishing Fingers and Wood in the Near Infrared Region

As described in a previous paper [2] there are several possibilities to detect fingers or hands in the danger zone near the blade. Most of the standard one or two dimensional optical sensors are up to now not able to distinguish between fingers and wood. As mentioned earlier [2], [5] in the near infrared fingers and hands have different remissive properties than wood. This may be a basis for a new protective device for circular saws. With the aid of a spectral photometer, the reflected light was analysed in relation to the wavelength range from 380 to 1600 nanometres in increments of 5 nanometres. The spectral distribution of the hands between 900 and 1600 nanometres differs markedly from that of the woods. These results suggest that wood and hands can be clearly distinguished from one another within certain wavelength ranges. The results confirm the publications of Störring dating from 2004 [5]. Störring investigated the spectral distribution up to 1100 nm and included dark-skinned subjects in the test. With both groups of test subjects there appears to be a characteristic drop between 950 and 1000 nm. Figure 2 shows the clear difference between different wood pieces and a hand. The remission of the wood is generally higher than the one of hands. A protective device cannot be realized by a spectral photometer because of a number of reasons e.g. we do not achieve the necessary distance between the upper boundary of the guard and the table of the circular saw. We

(a)

(b)

Fig. 2. Visable RGB picture (a) and monochrome 950nm picture (b)


141

decided to use dedicated spectral signatures that can be extracted by simple LEDs and photodiodes at suitable wavelengths to measure the remission signal of the objects in front of the protective device. In order to optimize we built up a scoring system to find the optimal combination of two or more wavelengths to distinguish hands of different individuals with different skin colour and the usual work pieces cutted with circular saws. The scoring focuses on the remission intensity of human skin, the wavelengths combination to characterize human skin and the wavelengths combination for optimal distinction between work pieces and human skin. To achieve the necessary distance the LEDs were driven with a short highcurrent pulse. As a side effect the short current pulse allows a very short reaction time of only a few microseconds and the necessary robustness against ambient light. Using a microcontroller to interpret the quotient of the different remission signals enables the protective device to distinguish a lot of different materials.

4

Optical Principle

An optical arrangement was chosen that integrates two LEDs with one photodiode in one housing. This arrangement was chosen to maximize the overlap of the LEDs beams and the conical measuring area of the photodiode which is very narrow. This is important for several reasons. A high overlap of the beams is required to ensure that the object underneath the detector is illuminated in the same way for both LEDs, so the results of the measurements are less dependent to the shape of the object and the relative angle to it. The beams are aligned parallel to allow reliable measurements of objects in every distance to the detector. The reliable measuring distances currently range from 20mm to 350mm. It is essential to make the viewing angle of the photodiode as narrow as possible to limit the diameter of the measure cone to 20mm or less. Otherwise the diameter of the measured area would be larger than the diameter of a finger. In that case, there would be a high chance of retrieving mixedsignals resulting from several objects like a finger and a piece of wood within the same measured spot. For a 50:50 distribution of skin and wood inside the measured spot the spectral characteristics of wood will dominate the signal due to its higher reflectiveness. So the skin could not be detected. A smaller area increases the chance of measuring a distinct object like a single finger. This claim leads to the challenging problem of bringing enough light onto the small measuring area to achieve precise signals, even on short exposure time. Therefore, the beams of the LEDs must also be very narrow to concentrate as much energy as possible inside the measuring area. This causes a problem: if the beams are very narrow, then the overlap of the beams will be

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poorer. So the aim is maximizing the overlap of the beams and the measuring area while keeping them as narrow as possible. For our prototype we found a satisfying trade-off, but further optimization is surely possible. To build a gapless detection curtain the LEDs and photodiodes could be arranged as a line of photodiodes and one or two neighbouring lines of alternating LEDs. Such patterns could increase cost-efficiency, as one LED could provide light for two neighbouring photodiodes.

5

System Design

As a proof of concept a prototype with flexible setup has been built. It consists of a controller and twelve detectors in separate cases. Figure 3a shows the first setup, where eight detectors are arranged along a half-circle in front of the cutting end of the blade. The half-circle forms a detection curtain with a constant distance to the automatic blade guard. The distance of 120mm to the guard was chosen to ensure that the guard is closed before it could be reached by a human’s hand, assuming that a hands maximum velocity is about 2 m/s. A sequential operation of the detectors is managed by the controller. The detectors are sequentially numbered from left to right with numbers of 1 to 12. At first the controller sequentially probes every sensor with an odd number. Meanwhile the controller utilizes the LEDs of the neighbouring detectors with even numbers to increase the energy for long-distance measurements. For example if the first detector is measuring the controller will synchronously pulse the LEDs of the second detector. Afterwards the controller will probe every detector with an even number while utilizing its left neighbours LEDs. For example the second detector would be supported by the first detectors LEDs. This sequence guarantees equal duty cycles for each detector and therefore each LED. In the first implementation the controller needs 250µs to probe each detector and to analyse its results. So 4000 probes per second are done by the controller which implies that every detector is probed 333 times per second, using the maximum of twelve detectors. This 333Hz probing rate theoretically enables the system to react within 3ms. To improve the reliability of the detection three skin-positive detections are needed to release the blade guard. Therefore the systems maximum delay was raised to 9ms. Assembling the detectors in separate cases gave us the ability to rearrange the shape and position of the detection curtain easily. The disadvantages of this concept are a less compact design, a higher distance between each detector, a separate wire between the controller and each detector and a less robust mechanical alignment


6

143

Validation in a Joinery Shop

As presented before, physics shows a good chance for a clear distinction between skin and all kinds of wood investigated. However, the compliance and compatibility with the regular workflow are also very important aspects of a protective device. The safety device must react properly in all critical situations in order to prevent an accident reliably and must not interrupt the work by means of false alarm. In the later case experience shows that the productivity is decreased and the workers will try to find methods to tamper the safety device. How far the NIR-sensor really fulfils the requirements of the problem domain can only be shown in a realistic application. A lot of questions have to be answered: • does the typical dust generated by the saw have an effect on the detection • does the sawed type of material or the skin type of the worker have an influence? • does the sensor disturb the visibility of the region of interest? • are there serious EMC problems with a sensitive electronic device operated close to a high power motor and • what is the influence of ambient light and especially its changes? Handfed saws are never operated in the dark and shadows move! In a first test the NIR-sensor based protective device including the automatic blade guard that covers the critical blade region in a detected dangerous situation [2] was validated in the university workshop by an experienced cabinet maker (see figure 3a). He was familiar with the saw type used and in several sessions tried out a variety of saw procedures with different kinds of wood. False alarms never happened with any kind of wood, only the shining pushing stick used to move very small work pieces close to the blade caused one. This could be solved by a minor modification in the optics and the software. When dangerous situations were intentionally provoked, the system responded reliably. However, it should be noted that the cabinet maker acted very carefully and the real situation might show characteristics which have not been covered here. Ambient light and EMC did not cause any problems. After the workshop session the system did not show any damage and in the interview the cabinet maker was very positive on the system. A little problem was the visibility of the region of interest. This was due to the rather large distance between the sensor spots and the saw blade. This distance was chosen with respect to the estimated speed of the hand and the reaction time of the blade guard that covers the blade in case of a dangerous situation. This distance might be reduced in a future version.

144


(a)

(b)

Fig 3. Optical arrangement (a) and validation at a circular saw in a joinery shop (b)

In a second validation the NIR-system was operated for about two months in the workshop of the Altendorf Inc. a German saw manufacturer in the regular work procedures. Here no automatic blade guard was used but all events have been logged. No function problems occurred. Only the dust filed up a bit in front of a sensor module in the direction of the dust injection and caused some false alarms. This could be solved by a periodical cleaning procedure and a changed design of the sensor surface. As a result this new protective device seems to be suitable for the use at circular table saws and panel saws.

References [1] Holz-Berufsgenossenschaft: HOLZinfo July – September 2004 Munich. ISSN 09498893. http://www.holz-bg.de/download/HOLZinfo116web.pdf Accessed 19th June 2008 [2] Reinert, Dietmar et al: Finger and hand protection on circular table and panel saws. 4. International Conference Safety of Industrial Automated Systems, 26.-28. September 2005, Chicago, Illinois/USA – Proceedings – Ed.: Automation Technologies Council (ATC), Ann Arbor, Michigan/USA [3] US Patent 2005/0066784 A1 31. March 2005 Safety methods for use in power equipment


145

[4] Klumbies, Björn: Diversitär-redundantes Schutzsystem für Tisch- und Formatkreissägen. Diploma thesis, 2004. http://www.inf.fh-bonn-rhein-sieg.de/data/informatik_/fb_informatik/personen/reinert/Klumbies.pdf Accessed 03rd June 2008 [5] Störring, Moritz et al: A multispectral approach to robust human skin detection. CGIV 2004. The Second European Conference on Colour Graphics, Imaging and Vision

Teil 3: Fachbereich Elektrotechnik, Maschinenbau, Technikjournalismus

Mit der Gründung der Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg ging auch die Planung für die Einrichtung technischer Studiengänge einher, die in einer interdisziplinären Gliederung zusammen gefasst wurden, die in dieser Form sicherlich einzigartig ist: Dem Fachbereich Elektrotechnik, Maschinenbau und Technikjournalismus, kurz EMT. Die gelebte Interdisziplinarität ist bis heute neben dem Praxisbezug und der Qualität der Lehre eines der Markenzeichen des Fachbereichs, wo Lehrende und Studierende der Ingenieur-, Naturwissenschaften und des Journalismus nicht nur institutionell unter einem Dach vereint sind, sondern miteinander und studiengangübergreifend lehren und studieren. So unterrichten die Lehrenden fachübergreifend in verschiedenen Studiengängen und absolvieren gemeinsame Projekte. Auch der kollegiale Dialog wird immer vom produktiven Miteinander verschiedener Disziplinen positiv beeinflusst. Für die Studierenden ist „der Blick über den Tellerrand“ alltäglich, absolvieren doch die angehenden Ingenieure und Journalisten eine Vielzahl von Lehrveranstaltungen gemeinsam und erwerben so das so oft eingeforderte Verständnis für die Denk- und Funktionsweise verschiedener Berufs- und Arbeitswelten. Sichtbares Zeichen der Interdisziplinarität ist nicht zuletzt die Ansammlung der Lehrräume und Labore, wo sich Maschinenhalle und Filmstudios finden, das Rasterkraftmikroskop im Raum neben dem Studentenradio steht und sich das Roboterlabor in Nachbarschaft der Lehrredaktion befindet. Rund 30 Professorinnen und Professoren sowie etwa 20 wissenschaftliche Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter stehen für die Bachelorstudiengänge Elektrotechnik und Maschinenbau (beides Bachelor of Engineering) sowie Technikjournalismus/PR (Bachelor of Science) zur Verfügung. Ergänzt wird das Studienangebot durch die zwei Kooperativen Studiengänge Elektrotechnik und Maschinenbau, in denen die Studierenden zugleich eine Berufsausbildung und eine Bachelorstudium in nur viereinhalb Jahren absolvieren. Das Bachelorstudium dauert in allen drei Fächern sieben Semester, wobei das fünfte Semester jeweils ein Praxissemester ist. Den 2007 eingeführten Bachelorstudiengängen soll in naher Zukunft ein entsprechendes Angebot an weiterführenden Masterstudiengängen folgen. In der Elektrotechnik lernen die Studierenden neben dem ingenieur- und naturwissenschaftlichen Basiswissen ihres Fachs stets auch Grundlagen des Maschinenbaus kennen, um sich ab dem dritten Semester für eine der drei Vertiefungsrichtungen Automatisierungs-, Kommunikations- oder Medientechnik zu entscheiden. Den angehenden Ingenieuren stehen so von der Informationstechnologie über die Automobilbranche, der Planung und Entwicklung von Produkten oder Produktionsanlagen, der Gebäudeautomatisierung bis hin zur Kommunikationstechnologie alle Türen zur späteren Berufswelt offen. Der Studiengang Maschinenbau vertieft das Fachwissen in Richtung Mechatronik oder Produktentwicklung, wobei alle Studierenden neben ihren wissen-

150

Teil 3: Fachbereich Elektrotechnik, Maschinenbau, Technikjournalismus

schaftlichen und praxisbezogenen Maschinenbau-Kompetenzen stets auch Grundlagen der Elektrotechnik kennen lernen. Während bei der Mechatronik das Zusammenwirken mechanischer und elektronischer Komponenten im Vordergrund steht, umschreibt die Produktentwicklung die Konstruktion, Gestaltung und Herstellung von Produkten ebenso wie deren Werkstoffe und Eigenschaften. Technikjournalismus/PR ist ein Kombinationsstudiengang, der ein ganz neues wissenschaftliches Feld eröffnet hat: Die Verbindung eines fundierten Studiums auf den Gebieten Journalismus und Public Relations mit einer breit angelegten natur- und ingenieurwissenschaftlichen Grundausbildung. Die angehenden Journalisten und PR-Fachleute sind so mit einer hohen technischen Kompetenz ausgestattet, die es ihnen erlaubt, komplexe technische Zusammenhänge zu verstehen und allgemeinverständlich bzw. journalistisch darzustellen. Für die berufliche Perspektive stehen den Absolventen dabei alle Medien offen, ob Zeitungen / Zeitschriften, Radio, Fernsehen oder Online-Medien. Alle drei Studiengänge zeichnen sich durch eine neuartige Lehr-LernStruktur, integrierte Projekte und praxisbezogene Lehreinheiten sowie überfachliche Lehrinhalte (Sprachen, BWL, Soft Skills etc.) aus. Die Abschlussarbeiten in Unternehmen unterstreichen die anwendungsorientierte Ausrichtung und stellen einen wichtigen Beitrag zur praxisorientierten Forschung dar. Die guten Erfahrungen der vergangenen zehn Jahre, die stetig steigende Nachfrage auf unsere Studiengänge und die positiven Rückmeldungen aus der Industrie und der Medienbranche über die Kompetenz unserer Absolventen schreiben für den Fachbereich EMT eine junge Erfolgsgeschichte, die wir als Herausforderung begreifen, junge Menschen für eine erfolgreiche Zukunft in technischen Berufen auszubilden. Dem breit gefächerten Anspruch des Fachbereichs EMT entsprechen auch die Beiträge für diese Festschrift. Robert Scholl (Elektrotechnik) beschreibt in seinem Aufsatz „A New Generation of Highly Efficient Light Sources“ ein hochschulübergreifendes Forschungs- und Entwicklungsprojekt, wie es typisch ist für der praxisangewandten Charakter einer Fachhochschule. Gerd Steinebach (Maschinenbau) erläutert die „Mathematische Modellbildung und numerische Methoden zur Strömungs-, Transport- und Reaktionssimulation in Netzwerken“. Andreas Schümchen und Thorsten Sellheim (Technikjournalismus/PR) schließlich beleuchten in „Podcasts – Wesen und Funktion einer konvergenten Medienform“ ein neuartiges Phänomen, bei dem Medienform und -inhalt sich in einer Weise verbinden, die erst durch das Internet möglich wurde. Prof. Dr. Volker Sommer, Dekan des Fachbereichs

Mathematische Modellbildung und numerische Methoden zur Strömungs-, Transport- und Reaktionssimulation in Netzwerken Gerd Steinebach Fachbereich Elektrotechnik, Maschinenbau und Technikjournalismus

Von Fluiden durchströmte Rohr- und Kanalnetzwerke spielen in vielen technischen Anwendungen eine zentrale Rolle. Die beschreibenden hyperbolischen Modellgleichungen basieren auf Erhaltungsgesetzen von Masse, Impuls und Energie. Dazu können Konvektions-Diffusions-Reaktionsgleichungen kommen, falls die Fluide Inhaltsstoffe transportieren und deren chemisch-biologische Reaktionen betrachtet werden. Für die verschiedenen Modellgleichungen wird ein einheitlicher numerischer Lösungsansatz vorgeschlagen. Die Ortsdiskretisierung erfolgt mit dem Kurganov-Levi Verfahren. Damit können Stoßwellen aufgelöst werden, ohne auf die Eigenstruktur der hyperbolischen Systeme zurück zu greifen. Je nach Anwendungsgebiet können dann unterschiedliche Verfahren zur Lösung der entstehenden Systeme gewöhnlicher oder differential-algebraischer Gleichungssysteme eingesetzt werden. Anhand von Testproblemen mit unstetigem Lösungsverlauf wird die Eignung der gewählten Diskretisierungsansätze demonstriert.

1

Netzwerke zum Transport von Wasser und Gas

Der Transport von Fluiden in Netzwerken ist für eine Vielzahl technischer Fragestellungen ein wichtiger Prozess. Beispielhaft seien folgende Anwendungen und die zugehörigen Netzwerke genannt: • Zur Wasserstandsvorhersage wird die Strömung von Wasser in Fluss- und Kanalnetzwerken betrachtet. Falls zusätzlich im Wasser gelöste Inhaltsstoffe berücksichtigt werden, können auch Stofftransportvorhersagemodelle abgeleitet werden [14,21]. Die Abbildung 1 zeigt beispielhaft die Netzstruktur eines Strömungsmodells für die Oder.

152

Gerd Steinebach

• Infrastrukturnetze zur Wasserversorgung oder Abwasserbeseitigung bestehen z.B. aus Rohrleitungen und Kanalstrecken. Neben dem Transport von Wasser [12] können insbesondere auch biologische und chemische Reaktionen von Wasserinhaltsstoffen von großer Bedeutung sein. • In Verfahrenstechnischen Anlagen werden industrielle Flüssigkeiten und Prozesswasser in geschlossenen Rohrnetzwerken transportiert. Im Prozesswasser können wiederum unterschiedliche Stoffe enthalten sein, die miteinander reagieren [11]. • Schließlich werden auch Gase in geschlossenen Rohrnetzwerken transportiert. Beispiele hierfür sind Gaspipelines [3] oder Brennstoffzuleitungen von Gasturbinen. Daneben gibt es noch vielfältige weitere Anwendungen, bei denen die Strömung von Flüssigkeiten oder Gasen in Rohr- oder Kanalnetzwerken eine Rolle spielt. Ziel des Forschungsvorhabens war und ist es, für die unterschiedlichen Fragestellungen eine gemeinsame Modellierungsbasis zu erstellen. Dabei sollen die verschiedenen Strömungsgleichungen für Flüssigkeiten und Gase in offenen und geschlossenen Kanälen bzw. Rohren sowie der Transport und die Reaktion von Inhaltsstoffen berücksichtigt werden. Die numerischen Methoden für die unterschiedlichen Modellgleichungen und Zeitskalen sollen gut miteinander kombinierbar sein und robuste Lösungsverfahren für Szenarienrechnungen ermöglichen. Im folgenden Abschnitt werden die mathematischen Modelle für die einzelnen Anwendungsgebiete vorgestellt und ihre Besonderheiten und Gemeinsamkeiten diskutiert. Im Abschnitt 3 wird dann mit der Linienmethode ein allgemein anwendbarer numerischer Zugang vorgeschlagen. Die Ortsdiskretisierung der Modellgleichungen wird mit einem individuell angepassten Finite Volumen Ansatz für hyperbolische Systeme realisiert. Die Integration der so semidiskretisierten Gleichungen kann dann mit Standard Lösern für Differentialgleichungen (ODEs) oder mit speziell angepassten Verfahren erfolgen. Im anschlieHohensaaten-FriedrichsthalerWasserstraße

Westoder

er

d sto

Haff

e

W Lausitzer Neisse

Oder

Oder

Warthe

Oder

Ostoder

äußerer Konten (Randbedingung) innerer Konten (Übergangsbedingung)

Abb. 1. Netzstruktur eines Flussmodells

Mathematische Modellbildung und numerische Methoden

153

ßenden Abschnitt werden ausgewählte Anwendungsbeispiele und deren numerische Behandlung diskutiert. Der Beitrag endet mit einem vorläufigen Fazit und einem Ausblick.

2

Mathematische Modellierung

Für die einzelnen Anwendungsgebiete müssen Gasströmungen und Strömungen von Flüssigkeiten mit und ohne freier Oberfläche unterschieden werden. Dabei wird angenommen, dass es ausreicht, die Netzwerke, in denen die Strömungsprozesse stattfinden, örtlich eindimensional zu modellieren. Eine transiente, d.h. zeitabhängige Modellierung der sich oftmals schnell ändernden Strömungsverhältnisse ist wichtig. 2.1 Wasserströmungen mit freier Oberfläche Wasserströmungen mit freier Oberfläche werden mit Hilfe der Saint-Venant Gleichungen (auch eindimensionale Flachwassergleichungen) beschrieben [22,23]: ∂ ∂ A+ Q =0 ∂t ∂x ∂ ∂ Q2 ∂ Q+ ( ) + gA z = − gAS f ∂t ∂x A ∂x

(1)

Die Gleichungen beruhen auf der Erhaltung von Masse und Impuls. Hierbei beschreibt A(x,t) die durchströmte Querschnittsfläche, Q(x,t) den Durchfluss oder Volumenstrom, g die Erdbeschleunigung, z(x,t) die Wasserspiegelhöhe über einem Bezugsniveau (z.B. über NN) und Sf das sog. Reibungsgefälle. In Sf werden summarisch Viskositäts- und Turbulenzeffekte sowie die Wandreibung zusammengefasst. Ein gebräuchlicher Modellierungsansatz ist die Manning-Strickler Formel: Sf =

|u|u 2

k St h 4 / 3

(2)

Dabei ist u = Q/A die querschnittsgemittelte Fließgeschwindigkeit, h(x,t) die Wassertiefe und kSt ein Reibungsbeiwert in Abhängigkeit der Beschaffenheit der Rohrwand bzw. der Kanalwand und -sohle. In der obigen Formel wurde der ursprünglich vorkommende hydraulische Radius durch die Wassertiefe approximiert. Die in (1) und (2) vorkommenden Größen Wassertiefe h und Wasserspiegelhöhe z lassen sich bei Kenntnis der Geometrie und der Lage des Kanals bzw. des Rohres eindeutig aus dem durchflossenen Querschnitt A(x,t) berechnen.

154

Gerd Steinebach

2.2 Wasserströmungen ohne freie Oberfläche Bei Druckströmungen wird die Annahme der Inkompressibilität von Wasser fallen gelassen. Damit werden Dichte- bzw. Druckstöße möglich, die sich mit endlicher Geschwindigkeit im Medium Wasser ausbreiten können. Die Berücksichtigung nicht konstanter Dichte bewirkt einen zusätzlichen Druckterm in der Impulsgleichung, vergl. [2]. Es wird angenommen, dass Druckänderung und relative Dichteänderung proportional sind (Boussinesq-Ansatz): 1 ρ − ρ0 Dabei ist p der zur Dichte ρ gehörende Druck und p0 der p − p0 =

β

ρ0

Atmosphärendruck mit Dichte ρ0, β ist die Kompressibilität von Wasser. Damit ergeben sich die Strömungsgleichungen ∂ ∂ ( ρA ) + ( ρQ ) = 0 ∂t ∂x ∂ ∂ ∂ ∂ Q2 + ρc 2 A ) = − gρA z − gAρS f + c 2 ρ A ( ρQ ) + ( ρ ∂t ∂x ∂x ∂x A

Hierbei ist c 2 =

1

βρ 0

(3)

die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Druckwellen

(Schallgeschwindigkeit). Die Dichte ρ = ρ ( x ,t ) ist jetzt orts- und zeitabhängig, während die voll durchströmte Querschnittsfläche A = A( x ) und die Wasserspiegelhöhe z = z ( x ) nur vom Ort abhängen und sich unmittelbar aus der Geometrie ergeben. 2.3 Gasströmungen Bei den Gasströmungen kommt zur Massen- und Impulserhaltung noch eine Gleichung für die Energieerhaltung hinzu [7]: ∂ ∂ ( Aρ ) + ( ρQ ) = 0 ∂t ∂x

∂ Q2 ∂ ∂p ρA ( ρQ ) + ( ρ )+ A = − gρA sinθ − 2f |u|u ∂t A ∂x ∂x D

(4)

∂ ∂ ( AE ) + ( Q( E + p )) = Ω ∂t ∂x

Die rechte Seite der Impulsgleichung enthält jetzt einen geänderten Reibungsansatz mit dem Rohrdurchmesser D und dem Reibungsbeiwert f, der


auch Fanning-Faktor genannt wird. Das Wasserspiegelgefälle

∂ z ∂x

155

in (1)

bzw. (3) wurde hier durch sinθ ersetzt mit dem Winkel θ zwischen Horizont und Fließrichtung. Damit können auch Rohre mit steilem Gefälle bzw. Anstieg behandelt werden. In der Energiegleichung kommen die Energiedichte E in [J/m3] und die Wärmeänderung Ω des Systems vor. Die Wärme kann entweder von außen zugeführt werden oder entsteht durch die Verrichtung von Arbeit im System. Der Zusammenhang zwischen dem Druck p und der Energiedichte E wird durch die Zustandsgleichungen des Gases hergestellt. Bei dem hier betrachteten idealen Gas gilt p = ρTRi mit der Temperatur T des Gases und der speziellen Gaskonstanten Ri. Die Energiedichte ist durch E =

1 2 ρu + ρ c V T + ρ gz 2

gegeben. cV ist die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen und z(x) stellt jetzt die Lage des Rohrmittelpunktes über dem Bezugsniveau dar. R Durch Einführung des Adiabaten-Exponenten γ = i + 1 erhält man für den cV Druck die Beziehung p = ( γ − 1)( E −

1 2 ρu − ρgz ) 2

(5)

Die Gleichungen (4) zusammen mit (5) werden für konstante Rohrquerschnitte als die Euler-Gleichungen der Gasdynamik bezeichnet. 2.4 Stofftransport und Reaktionen Der Transport und die Diffusion von im Fluid enthaltenen Stoffen werden mit Hilfe der Konvektions-Diffusionsgleichung beschrieben [14]: ∂ ∂ ∂ ⎛ ∂ ⎞ ( Ac ) + ( Qc ) − ⎜ DA c ⎟ = 0 ∂t ∂x ∂x ⎝ ∂x ⎠

(6)

c(x,t) ist die Konzentration des Stoffes, der mit Geschwindigkeit u = Q / A transportiert wird. Zugleich findet Diffusion statt. Durch geeignete Wahl des Koeffizienten D wird in diesem Diffusionsprozess auch die schnellere Vermischung aufgrund turbulenter Strömungen integriert. Die Reaktion mehrerer Inhaltsstoffe miteinander wird durch Reaktionsterme Ri = Ri ( c1 ,..., c n ) auf der rechten Seite modelliert. Im Falle von Flüssigkeitsströmungen erhält man un∂ ∂ ter Berücksichtigung der Kontinuitätsgleichung A+ Q = 0 ein System ∂t ∂x von Konvektions-Diffusions-Reaktionsgleichungen der Form:

156

Gerd Steinebach

∂ ∂ ∂ ⎞ 1 ∂ ⎛ ci + u ci − ⎜ Di A c i ⎟ = R i ∂t ∂x ∂x ⎠ A ∂x ⎝

, i = 1,..., n

(7)

Zur vollständigen Problembeschreibung müssen zusätzlich zu den Modellgleichungen (1), (3), (4) bzw. (6) noch Anfangswerte und geeignete Randbedingungen vorgegeben werden.

3

Numerische Lösungsansätze

Um eine einheitliche Methodik, aber dennoch flexibel auf die unterschiedlichen Eigenschaften der Modellgleichungen angepasste Verfahren anwenden zu können, wird zunächst die Linienmethode eingesetzt. Diese basiert auf der Trennung der Diskretisierung in Orts- und Zeitrichtung. Zuerst wird eine Semidiskretisierung der Modellgleichungen im Ort vorgenommen. Dazu können sowohl Finite Volumen wie Finite Differenzen angewendet werden. Durch diesen Ansatz entsteht ein großes Gleichungssystem meist nichtlinearer, gekoppelter gewöhnlicher Differentialgleichungen (ODEs). Die Berücksichtigung von Rand- und Koppelbedingungen bei Netzwerken kann zusätzlich zu algebraischen Gleichungen führen, dann entsteht ein System von differentiell-algebraischen Gleichungen (DAEs). Strategien zur Implementierung der Rand- und Koppelbedingungen sind z.B. in [19] zu finden. Darauf wird im vorliegenden Beitrag nicht näher eingegangen. Die abschließende Lösung der ODEs bzw. DAEs erfolgt mit Standard-Verfahren oder mit speziell auf die Eigenschaften des Systems abgestimmten Methoden. 3.1 Ortsdiskretisierung Bei den zu lösenden Modellgleichungen (1), (3) und (4) handelt es sich um hyperbolische Systeme der Form ∂ ∂ ∂ q + f ( q ) + M ( q ) g( q ) = S ( q ) ∂t ∂x ∂x

(8)

Die Zustandsvariablen q sind für die einzelnen Gleichungssysteme gegeben durch: q = ( A ,Q ) t für (1), q = ( ρA , ρQ ) t für (2) und q = ( ρA , ρQ , AE ) t für (4).

∂ g( q ) mit der Matrix M( q ) kommen in den Glei∂x ∂ ∂ chungen (1) ( gA z ) und (4) ( A p ) vor. Sie zerstören die Erhaltungsform ∂x ∂x

Anteile der Form M( q )


157

∂ ∂ q + f ( q ) = S( q ) ∂x ∂t

(9)

der hyperbolischen Systeme. Um diese Anteile zu vermeiden, wird bei Gerinneströmungen daher oft von Kanälen mit konstanter Breite und bei Gasströmungen von konstanten Rohrquerschnitten ausgegangen. In diesem Fall ist es möglich, gut etablierte Verfahren für hyperbolische Erhaltungsgleichungen (9) anzuwenden, siehe z.B. [10]. Hier wird das Verfahren von Kurganov und Levy [9] zur Semidiskretisierung im Ort angewendet. Zunächst werden die Zustandsvariablen auf die Zellgrenzen des Finite Volumen Gitters interpoliert. Dann erfolgt eine Korrektur der numerischen Flüsse mit einem Lax-Friedrich Ansatz. Dieser Ansatz kann auch auf Systeme der Form (8) übertragen werden: Man erhält bei der hier verfolgten Diskretisierung mit Finiten Volumen folgende Gleichung für die Zustandsvariable q i in der Zelle [x i −1/ 2 , x i +1/ 2 ] :

qi ' = −

1 [ f i+1 / 2 − f i−1 / 2 + M ( qi )( g i+1 / 2 − g i−1 / 2 ) − ( LFi+1 / 2 − LFi−1 / 2 )] + S ( qi ) ∆x

Dabei repräsentiert q i ( t ) =

1 ∆x

xi +1/ 2

∫ q( x ,t )dx

den Mittelwert der Zustandsvariable

xi −1/ 2

q in der Zelle [ x i −1/ 2 , x i +1/ 2 ] . Die numerischen Flüsse fi +1/ 2 , fi −1/ 2 bzw. gi +1/ 2 , gi −1/ 2

enthalten

die

nichtlinearen

Anteile

der

Gleichung

(8)

mit

1 1 ( f ( q i++1/ 2 ) + f ( q i−+1/ 2 )) , gi +1/ 2 = ( g( q i++1/ 2 ) + g( q i−+1/ 2 )) . Die Flusskorrek2 2 turen sind gegeben durch LFi +1/ 2 = λi +1/ 2 ( q i++1/ 2 − q i−+1/ 2 ) . fi + 1 / 2 =

Die Größen qi±+1/ 2 werden durch Interpolation der Zellenmittelwerte auf die Zellgrenzen mit Hilfe der zentralen WENO-Interpolation dritter Ordnung berechnet. Für die Berechnung von q i++1/ 2 werden dabei die Zellenmittelwerte q i ,q i +1 ,q i + 2 herangezogen und für qi−+1/ 2 die Werte q i −1 ,q i ,q i +1 . Weitere Einzel-

heiten zur WENO-Interpolation sind z.B. [9] zu entnehmen. λi +1/ 2 ist eine Schätzung des Absolutbetrages des größten Eigenwertes von f' ( q ) + M ( q ) g' ( q ) auf der Zellgrenze x i +1/ 2 . Hierbei handelt es sich um die einzige Information über die Eigenstruktur der Gleichungen, die für das Verfahren notwendig ist. Das ist der große Vorteil von zentralen Verfahren im Vergleich zu den meistens eingesetzten Methoden (z.B. der von Roe) für Systeme der Form (9). Durch den Einsatz von WENO-Interpolationen höherer Ordnungen wird die sonst übliche sehr große numerische Diffusion des Lax-Friedrich Verfahrens vermieden.

158

Gerd Steinebach

∂ c der in der Regel konvektionsdominanten Stofftransport∂x gleichung (7) wird mit der gleichen Methode diskretisiert. Für den Diffusions1 ∂ ⎛ ∂ ⎞ term − ⎜ DA c ⎟ können einfache zentrale Differenzenquotienten anA ∂x ⎝ ∂x ⎠ gewendet werden.

Der Term u

3.2 Lösung der ODEs/DAEs Die Eigenschaften der durch die Semidiskretisierung im Ort erzeugten ODEbzw. DAE-Systeme hängt sehr stark von der Problemstellung ab. Falls Reaktionsterme in den Stofftransportgleichungen (7) vorkommen, ist das System steif und es müssen implizite Verfahren zur numerischen Lösung angewendet werden. Implizite Verfahren sind auch vorzuziehen, falls die Strömung in großen Flusssystemen simuliert wird. Hier sind wegen den langsamen Änderungen der Strömung große Zeitschritte möglich [20]. Werden Gasströmungen oder Druckwellen in geschlossenen Rohrsystemen simuliert, sind explizite Verfahren vorzuziehen. Falls Anwendungen behandelt werden, in denen die ODEs sowohl steife wie nicht-steife Anteile enthalten, bieten ggf. auch splitting-Ansätze eine gute Alternative [4,18]. In einigen Fällen sind auch explizite Verfahren mit erweitertem Stabilitätsgebiet eine gute Alternative zu impliziten Verfahren [8,15]. In den durchgeführten Simulationen wurde mit verschiedenen Integratoren experimentiert. Neben den Standard-Methoden von MATLAB [16,17] wurden auch ROW-Verfahren [6,20], two-step peer-Methoden [13], Runge-KuttaChebyshev Verfahren [1] und splitting-Methoden [18] eingesetzt. Das beste Universalverfahren, das für nahezu alle Anwendungen hinsichtlich Rechenzeit und Genauigkeit gute Resultate lieferte, war ode23t von MATLAB. Die anderen Methoden lieferten meist nur für eine oder mehrere Gruppen von speziellen Anwendungen bessere Resultate.

4

Anwendungsbeispiele

Mit den folgenden Anwendungsbeispielen soll aufgezeigt werden, dass die vorgeschlagenen numerischen Verfahren geeignet sind, die Modellgleichungen zuverlässig und effizient zu lösen. Durch die Wahl des eingesetzten Integrators in Zeitrichtung kann flexibel auf die Eigenschaften der jeweiligen Anwendung reagiert werden. Bei den hier vorgestellten Beispielen handelt es sich um Standard-Tests für die hyperbolischen Gleichungen, die hohe Anforderungen an die eingesetzte Ortsdiskretisierungsmethode stellen. Da die Anzahl der verwendeten Ortsdiskretisierungspunkte (= Finite Volumen Zellen) relativ gering ist, spielt die Wahl des Integrators bei diesen Problemgrößen


159

keine große Rolle. Daher wird hier auf die diesbezüglich erzielten unterschiedlichen Ergebnisse nicht eingegangen. Ein numerischer Test für ein Konvektions-Diffusions-Reaktionsproblem mit 8 chemischen Reaktionen wird in [18] diskutiert. 4.1 Lineare Transportgleichung mit Strömungsumkehrung ∂ ∂ c +u c = 0 ∂t ∂x ohne Diffusionsterm betrachtet. Als Anfangswert wird ein unstetiger Konzentrationsverlauf gewählt. Auf Grund der Strömungsumkehr u( t ) =

Im ersten Testproblem wird die lineare Transportgleichung

⎧ 1 für t 540 wird der Konzentrationsverlauf unverändert hin- und zu⎩ rück transportiert. Die Abbildung 2 zeigt die erzielten numerischen Ergebnisse.

1

c(x,t)

0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

200

400

600

800

1000

x

Abb. 2. Lineare Transportgleichung mit Strömungsumkehr. Konzentrationen c(x,t) für t=0 (gestrichelt), t=540, t=1080. Anzahl Zellen n=800.

4.2 Deichbruch Beim Deichbruch-Problem wird von einem rechteckigen Kanalquerschnitt A = b ⋅ h mit konstanter Breite b = 1 ausgegangen. Reibungs- und Sohlgefälle ∂ werden nicht berücksichtigt, d.h. Sf = z 0 = 0 . Dabei beschreibt z0(x) die ∂x ∂ ∂ ∂ A ∂ z= ( z0 + h ) = ( )= Sohlhöhe und es folgt: A . Die gewählten ∂x ∂x ∂x b ∂x Anfangswerte und die numerisch berechnete sowie die analytische Lösung [22] sind in der Abbildung 3 dargestellt.

160

Gerd Steinebach

10

8 6

6

u(x,t)

h(x,t)

8

4

4 2

2

0

0 0

200

400

600

800

1000

0

200

400

x

600

800

1000

x

Abb. 3. Deichbruchproblem. Wassertiefe h(x,t) und Geschwindigkeit u(x,t) zur Zeit t=0 (gestrichelt) und t=30 (durchgezogen) sowie analytische Lösung (gepunktet). Anzahl Zellen n=200.

4.3 Druckwelle (waterhammer) Beim Druckstoß-Problem wird von einem voll durchströmten horizontalen Rohr mit konstanten Querschnitt A ausgegangen. Bei Vernachlässigung von Reibung gibt man einen stationären Durchflusszustand ( u = 1, p = p0 = 1.1⋅ 105 ) als Anfangswerte vor. Zur Zeit t>0 wird dann am rechten Rand der Durchfluss gestoppt, d.h. q(10,t)=0. Dadurch ergibt sich eine Druckwelle (waterhammer), die sich von rechts nach links im Rohr fortpflanzt. Die Abbildung 4 zeigt die numerischen Lösungen zu bestimmten Zeitpunkten. Die Berechnungen wurden mit β = 5 ⋅ 10 −10 , c = 1415 durchgeführt. 5

16

1

x 10

14

0.8

10

p(x,t)

u(x,t)

12

0.6 0.4

8 6

0.2

4

0 0

2

2

4

6 x

8

10

0

2

4

6

8

10

x

Abb. 4. Druckwelle. Geschwindigkeit u(x,t) und Druck p(x,t) zur Zeit t=0 (gestrichelt), t=0.001,…,0.005 (durchgezogen, von rechts nach links). Anzahl Zellen n=200.


161

4.4 Stoßröhre (Shocktube) Beim Stoßröhren-Problem (Shocktube) werden anlag zum Deichbruch-Problem unstetige Anfangswerte vorgegeben [7]: ⎧10 4 /( γ − 1) für x 5

ρ ( x ,0 ) = ⎧⎨

Es wird von einem idealen Gas mit γ = 1.4 ausgegangen. Neben einem Shock und einer Verdünnungswelle (analog zum Deichbruch) tritt hier auch eine Kontaktunstetigkeit in der Dichte auf. In der Abbildung 5 sind die erzielten numerischen Lösungen im Vergleich zur analytischen Lösung dargestellt.

300

1

250

0.8 u(x,t)

ρ(x,t)

200

0.6 0.4

150 100

0.2

50

0 0

2

4

6

8

10

x

0 0

2

4

6

8

10

x

4

x 10 10

p(x,t)

8 6 4 2 0 0

2

4

6

8

10

x

Abb. 5. Stoßröhre. Dichte ρ ( x ,t ) , Geschwindigkeit u(x,t) und Druck p(x,t) zur Zeit t=0 (gestrichelt) und t=0.0061 (durchgezogen) sowie analytische Lösung (gepunktet). Anzahl Zellen n=200.

162

5

Gerd Steinebach

Fazit und Ausblick

Die im Abschnitt 3 vorgestellten Lösungsmethoden erlauben eine einheitliche Behandlung der Modellgleichungen für den Transport von Wasser, Wasserinhaltsstoffen und Gasen in Netzwerken. Der Vorteil der Ortsdiskretisierung mit dem Kurganov-Levy Verfahren ist, dass man keinen Riemannlöser für den jeweiligen Gleichungstyp benötigt. Die Robustheit der Verfahren konnte mit Hilfe von numerischen Testbeispielen mit unstetigen Lösungskomponenten aufgezeigt werden. Hier spielte die Auswahl des Integrators keine große Rolle. Die in größeren Anwendungen erforderlichen Koppelbedingungen für die Netzwerkkomponenten implementiert man zweckmäßig als algebraische Gleichungen [19]. Dann ist der Einsatz von DAE-Lösern für die semidiskretisierten Gleichungen notwendig [20]. Für Strömungen in nicht gekoppelten Kanälen oder Röhren können je nach Anwendungsgebiet auch explizite Verfahren oder explizite Verfahren mit erweitertem Stabilitätsgebiet eingesetzt werden [15]. In weiteren Untersuchungen sollen Anwendungen mit gemischten Strömungsformen (Strömungen mit freier Oberfläche und Druckströmungen) betrachtet werden und für große Anwendungen der Einsatz von peerMethoden [13] oder splitting-Methoden [4] diskutiert werden. Acknowledgments Herrn Dipl.-Math. Roland Rosen danke ich herzlich für die guten Kooperationsmöglichkeiten mit der Siemens AG, Abteilung Corporate Technology. Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. Peter Rentrop für die Möglichkeit eines Forschungsaufenthaltes an der TU München, wo große Teile des Beitrags entstanden sind.

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163

[5] Hahne, E.: Technische Thermodynamik-Einführung und Anwendung-, Oldenbourg (2000). [6] Hairer, E., Wanner, G.: Solving Ordinary Differential Equations II, Stiff and differential algebraic Problems, (2nd ed.), Springer-Verlag, Berlin, (1996). [7] Hirsch, C.: Numerical Computation if Internal and External Flows. Volume 2, John Wiley & Sons (1984). [8] Hundsdorfer, W.; Verwer, J.G.: Numerical Solution of Time-Dependent Advection-Diffusion-Reaction Equations. Springer Verlag (2003). [9] Kurganov, A., Levy, D.:A third-order semidiscrete central scheme for conservation laws and convection-diffusion equations. SIAM J. Sci. Comput. Vol.22m No4, 1461-1488 (2000). [10] LeVeque, R.: Finite Volume Methods for Hyperbolic Problems, Cambridge University Press (2002). [11] Paschedag, A.R.: CFD in der Verfahrenstechnik, Wiley-VCH (2004). [12] Pirsing, A., Rosen, R., Obst, B., Montrone, F.: Einsatz mathematischer Optimierungsverfahren bei der Abflusssteuerung in Kanalnetzen, GWF-Wasser / Abwasser 147(5), S 376-383, (2006). [13] Podhaisky, H., Weiner, R., Schmitt, B.A.: Rosenbrock-type ’Peer’ two-step methods, Applied Numerical Mathematics 53,S 409-420, (2005). [14] Rentrop, P., Steinebach, G.: Model and numerical techniques for the alarm system of river Rhine, Surveys Math. Industry 6, S 245-265, (1997). [15] Seidl, S.: Runge-Kutta-Chebyshev Verfahren zur numerischen Simulation von Flachwassergleichungen in Kanalsystemen. Diplomarbeit, TU München, Fakultät für Mathematik (2007). [16] Shampine, L.F., Gladwell, I., Thompson, S.: Solving ODEs with MATLAB, Cambridge University Press (2003). [17] Shampine, L.F., Reichelt, M.W.: The Matlab ODE suite, SIAM J. Sci. Comput., 18(1), S 1–22, (1997). [18] Steinebach, G., Paffrath, M., Rentrop, R., Rosen, R., Seidl, S.: Process simulation for sewer systems – a case study –. Berichte aus den numerischen Arbeitsgruppen, NUM 2007, TU München (2007). [19] Steinebach, G., Rademacher, S., Rentrop, P., Schulz, M.: Mechanisms of coupling in river flow simulation systems. Journal of Computational and Applied Mathematics 168(1-2), S. 459-470 (2004). [20] Steinebach, G., Rentrop, P.: An adaptive method of lines approach for modelling flow and transport in rivers, in: A.Vande Wouver, Ph. Sauces, W.E. Schiesser (eds.), Adaptive method of lines, Chapman & Hall/CRC, S 181-205; (2001). [21] Steinebach, G., Rentrop, P.: Fließgewässersimulation zur Wasserstands- und Stofftransportvorhersage, Berichte aus den numerischen Arbeitsgruppen, NUM 2004, TU München (2004). [22] Stoker, J.J.: Water waves, the mathematical theory with applications. Interscience Publishers Inc., New York (1957). [23] Vreugdenhil, C.: Computational Hydraulics An Introduction, Springer-Verlag, NY (1989).

Podcasts – Wesen und Funktion einer konvergenten Medienform Andreas Schümchen und Thorsten Sellheim Fachbereich Elektrotechnik, Maschinenbau und Technikjournalismus

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Einführung

Das Internet hat sich in den deutschen Haushalten als feste Medienform, neben Radio, TV und Printmedien, etabliert. Die Zahl der DSL-Anschlüsse als schnelle und datenreiche Internetverbindungen betrug in deutschen Haushalten 2007 rund 13 Millionen [1]. Neben der Expansion der technischen Infrastruktur zeigt sich dabei auch eine erweiterte alltagsnahe Nutzung des Internets, sei es in Form neuer Rezeptionsformen (E-Mail, Communities, elektronische Zeitungen bis hin zu Videoportalen wie YouTube) oder aber in durch die Technik bedingten veränderten Verhaltensweisen (Einkauf im Internet, EBay, Markplätze). Ebenso ist die Nutzung des Internets altersübergreifend durch alle Schichten erkennbar. Gerade ältere Menschen etwa mit ihrem höheren Zeitbudget („Silver Surfer“) stellen eine der am schnellsten wachsenden Nutzergruppen des Internets dar. Das einstmals als Tummelplatz für Spezialisten entstandene World Wide Web hat sich zu einem selbstverständlichen Alltagsmedium gemeistert, welches von allen gesellschaftlichen Schichten quer durch alle Altersklassen genutzt und bedient wird. Damit einhergehend ist neben (statischen) text- und bildbasierten Internet-Inhalten auch das Angebot von Audio- und Videobeiträgen (files) gestiegen. Die digitaltechnische Entwicklung bei Netzwerken, Computern, Kleinstgeräten, Software und Zubehör sowie die Simplifizierung von Technik hat in diesem Zusammenhang seit Anfang dieses Jahrtausends die massenkompatible Nutzbarkeit von Audio- und Video-Inhalten erst ermöglicht. Audio und Video on demand, live oder zum Download in immer besserer Qualität verbreiten sich explosionartig. Neben den Distributionsweisen sind auch neue audiovisuelle Formen und Inhalte entstanden. Eine der interessantesten bildet dabei das Podcasting. Im Fokus dieses Beitrags stehen die Begriffsklärung, die Funktionsweise und die Geschichte des Podcastings sowie dessen medientheoretische Betrachtung, insbesondere im Hinblick auf den konventionellen Rundfunk.

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Andreas Schümchen und Thorsten Sellheim

Begriff und Entstehung

Der Begriff Podcast ist ein Neologismus, gebildet aus dem Namen des populären MP3-Abspielgerätes iPod und dem britischen Wort für Rundfunk, broadcasting. Als (technischer) Erfinder des Podcasts gelten der französische Publizist Tristan Louis, ein ehemaliges Mitglied des World Wide Web Consortium (W3C), und der amerikanische Software-Entwickler Dave Winer, der die technischen Rahmenbedingungen im Jahr 2000 erstmals umsetzte. Zugrunde lag die Überlegung, Fernsehen ins Internet einzubinden. Insbesondere der Boom der Musiktauschbörsen wie Napster, die den Austausch von Musikdateien im Internet massenwirksam eröffneten, hat die Möglichkeiten digitaler Distribution aufgezeigt und – wenn auch auf illegale Weise – den heutigen kommerziellen Online-Musikangeboten den Weg gewiesen. Die Einführung des Abspielgeräts iPod durch das Unternehmnen Apple im Jahr 2001 startete zeitgleich den Siegeszug digitaler Musikgeräte im Taschenformat [2]. Die digital distribuierten Songs wurden damit mobil; die im Netz „erworbene“ Musik konnte nun überall, losgelöst vom heimischen Rechner, gehört werden. Als Namenschöpfer des Wortes Podcast gilt ein Journalist der britischen Tageszeitung „The Guardian“ [3]. Podcasten steht seitdem für das automatisierte Herunterladen von Audiodateien aus dem Internet. Ein Podcast ist als eine Serie von Audio- oder Videobeiträgen (Episoden) zu verstehen [4], die auch abonniert werden können. Ein Podcast ist in der Regel kostenlos, was ihn (noch) von kommerziellen On-demand-Angeboten unterscheidet. Als solcher ist er ein Teil des User Generated Contents des Web 2.0, ermöglicht ein Podcast doch nahezu jedem Webnutzer, auch mit geringen technischen Kenntnissen und ohne aufwendige Produktionsmittel Inhalte einer breiten Öffentlichkeit zugänglich machen. Zum populären Durchbruch verhalf dem Podcasting der amerikanische Moderator (und so genannte Podfather) Adam Curry mit einer ab 2004 veröffentlichten regelmäßigen Audio-Kolumne, die anfangs noch als Audioblogging bezeichnet wurde [5]. Bis dahin waren lediglich textbasierte Weblogs bekannt. Curry hatte bereits im Jahr 2000 die Idee, eine regelmäßige AudioKolumne zu veröffentlichen, was zu diesem Zeitpunkt in der heutigen Form noch nicht möglich war. Am 13. August 2004 veröffentliche Curry dann den ersten Podcast namens „Daily Source Code“, der die von Dave Winer und dem Unternehmen Netscape entwickeldete Verbreitungstechnik RSS 0.91 bzw. 2.0 nutzte [6]. Diese erlaubte es, multimediale Inhalte zu erkennen und automatisch neu anzubieten. Mit der Integration von Podcast-Abonnements in die Musikverwaltungssoftware iTunes, die wiederum auch den Musikspieler iPod (oder andere) bedient, verschaffte Apple den Podcast-Angeboten im Internet den Zugang zu einem Massenpublikum.

Podcasts – Wesen und Funktion einer konvergenten Medienform

3

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Formen und Produktionsweisen

Neben der ursprünglichen Form des Audiopodcasts, der mit ca. 80 bis 95 % den größten Anteil stellt, existieren auch Videopodcasts. Sie werden auch als Vodcast, Vcast oder einfach als Videopodcast bezeichnet. Durch die qualitativ immer hochwertigeren Consumer-Videokameras, ihr geringes Gewicht und ihre geringe Größe ist diese Form innerhalb der Web-2.0-Community und bei den so genannten Podcastern immer beliebter geworden. Die Produktion eines Podcasts benötigt nur wenige technische Voraussetzungen, was die Entwicklung und die Verbreitung der Podcasts auch Laien und technisch weniger versierten Nutzern ermöglicht. Dies lässt sich an einigen Beispielen verdeutlichen. Der Podcaster benötigt einen PC oder Mac, ein Mikrofon, das am Computer angeschlossen ist, eine gute Soundkarte, einen Kopfhörer und eventuell ein externes Aufnahmegerät (zum Beispiel: MD, DAT oder HD); für Vodcasts natürlich noch eine Kamera. Häufig wird ein Mischpult dazwischen geschaltet. Viele Hersteller bieten mittlerweile komplette PodcastStudios an (siehe Abb. 1) [7].

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Wer hört Podcasts?

Die Empfänger oder auch Hörer von Podcasts sind die so genannten Podder. Empfangen kann der Podder nur über eine Internetverbindung. Podcasting funktioniert wie Radio für Websurfer. So wie ein Blog einen textbasierten Aus-

Quelle: www.behringer.com/podcaststudio-firewire

Abb. 1. Podcast-Studio „Firewire“ des Herstellers Behringer.

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tausch zwischen Privatpersonen darstellt, lässt sich ein Podcast als eine auditive Version des Blogs bezeichnen. Die Rezipienten sind wie bei Blogs Privatpersonen, die mithilfe eines RSS-Feeds Podcasts abonnieren. Übertragen werden die geladenen Dateien dann meist auf mobile MP3-Spieler, um die Beiträge ortsunabhängig hören zu können, etwa auf dem Weg zur Arbeit. Podcasting ermöglicht auf diese Weise ein zeitversetztes „Radiohören“. Über Dienste wie z.B. Phonecaster ist es sogar möglich, Podcasts über das Telefon zu hören. Über die genaue Anzahl der Podder herrscht Uneinigkeit; sprach das Berliner Medienforschungsinstitut House of Research 2006 von 300.000 bis ca. 500.000 Hörern [8], nennen andere Quellen bereits Zahlen von bis zu vier Millionen Poddern [9]. 4.1 Der RSS Feed als technischer Helfer Das bereits erwähnte, von Tristan Louis und Dave Winer entwickelte RSS, ist ein elektronisches Nachrichtenformat (eine Art Verbreitungstechnik), welches es ermöglicht, Inhalte einer Webseite als so genannten RSS-Feed zu abonnieren. RSS steht für Really Simple Syndication (wirklich einfache Verbreitung) oder aber auch Rich Site Summary (inhaltsreiche Zusammenfassung der Website) [10]. Mittels des RSS-Feeds können etwa alle Artikel einer Nachrichtensite im WWW abonniert werden [11]. Ein spezielles Programm, der RSS Reader, erkennt neue Inhalte und lädt diese selbstständig auf den Rechner des Abonnenten. Beispielsweise greift der so genannte Podcatcher iTunes mittels der RSS-Adresse auf den Server zu, auf dem die Podcast-Episoden liegen. Das Programm prüft dabei automatisch, ob neue Episoden vorliegen und zeigt diese an. Der wichtigste Unterschied von Podcasts gegenüber herkömmlichen ondemand-Angeboten oder Livestreams ist der serielle Charakter der PodcastEpisoden. RSS gewährleistet deren Organisation, Abruf und Darstellung für den Nutzer. Um einen eigenen, privaten Podcast im Internet einzustellen, können Dienstleister wie podhost.de in Anspruch genommen werden [12]. Podhost etwa bietet nicht nur Speicherplatz an, die Episoden werden auch in ein RSSFeed als Liste abonnierbarer Podcasts integriert. 4.2 Hörer = Podcatcher Ein Podcatcher ist ein Programm zur Verwaltung der Podcasts. Podcatcher laden automatisch Episoden einer Reihe herunter (z.B. einer Nachrichtensite) und zeigen an, ob eine neue Episode / Folge angeboten wird. Der bekannteste und am meisten verbreitete Podcatcher ist die Musikverwaltungssoftware iTunes (siehe Abb. 2). Daneben gibt es viele andere Programme, die meistens kostenlos sind. Unterteilt werden diese Programme nach den jeweiligen Betriebssystemen [13]. iTunes etwa ist ein kostenloses multifunktionales Musikprogramm, das neben dem Import von Audio-CDs und Filmen und dem Kauf


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Abb. 2. Screenshot von Apple’s iTunes

von Musik und Filmen über das Internet auch ermöglicht, Podcasts aufzunehmen (catchen) und zu verwalten [14]. 4.3 Produzenten und Autoren: Podcaster Produzenten und Autoren von Podcasts werden Podcaster genannt. Anfänglich handelte es sich dabei ausnahmslos um Privatpersonen, die ihre private Geschichten, zum Teil zusammenhangslose Erzählungen, Kommentare usw. aufgenommen und als Abonnement angeboten haben. Als Pioniere im deutschsprachigen Raum sind hier etwa die Münchnerin Annik Rubens [15] oder der Frankfurter Wissenschaftsjournalist Thomas Wanhoff zu nennen. Das Portal podcast.de listet mittlerweile mehr als 3.000 verschiedene Audiokolumnen auf, mit entsprechend breit gefächtertem Nutzwert und Informationsgehalt. Ob Skurriles, Banales oder Alltagsphilosophisches – die Breite des Angebots ist nahezu unbegrenzt. In der „Nutzlosigkeit“ vieler Angebote liegt aber nicht zuletzt der besondere Charakter des Podcastings und der wesentliche Unterschied zu kommerziellen Produzenten: Der private Podcaster verfolgt keine Gewinnabsicht, ist redaktionell frei und arbeitet vielleicht sogar bewusst improvisiert und ungeordnet; Industrieunternehmen, Redaktionen, Behörden,

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Verbände oder auch und die Politik hingegen verfolgen klare Ziele und (und meistens auch kommerzielle) Interessen. Mit ihrem Podcast „Schlaflos in München“ erreichte Annik Rubens nach eigenen Angaben rund 7.000 Hörer pro Sendung. In den an Tagebucheintragungen erinnernden Episoden philosophierte die damals junge Studentin über banale und kuriose Dinge aus ihrem Alltag und Privatleben. Einen ganz anderen Charakter hingegen haben kommerzielle Podcasts, wie sie große Unternehmen wie etwa VW oder BMW zur Verfügung stellen. Diese Unternehmen haben die Wichtigkeit und Wirkung von Podcasts für ihre Markenbildung erkannt. Hier geht es um die Ausrichtung auf ein junges, modernes Käuferpublikum und seine Affinität zu neuen Medien. Kommerzielle Podcasts solcher Art sind professionell gemacht, hier sprechen professionelle Sprecher über neue Entwicklungen und Produkte und setzen gezielt Instrumente des Marketings und der PR ein. 4.4 Beispiele für Podcasts Einen weiteren wachsenden Zweig stellt die steigende Zahl von PodcastAngeboten der Rundfunkanstalten dar. Für deutsche Radiostationen ist der Podcast eine zunehmend genutzte Form der Zweitverwertung ihrer Inhalte. Damit sei betont, dass das professionelle Angebot von Podcasts i.d.R. eine Zweitverwertung darstellt, während es sich bei den Ursprüngen aus dem privaten Sektor um reine Erstproduktionen handelt. Podcasts von Rundfunkstationen hingegen sind professionell produziert, aber kein exklusives OnlineAngebot. WDR-Podcasts Für den Westdeutschen Rundfunk (WDR) als öffentlich-rechtliche Rundfunkanstalt innerhalb der ARD [16] ist das Podcast-Angebot in erster Linie an rechtliche Belange und Konzessionen gebunden und davon abhängig. Es handelt sich bei dem Angebot in erster Linie um Eigenproduktionen, z.B. Comedy, Unterhaltungsbeiträge oder Elemente aus Wissenschaftssendungen mit hohem Wortanteil. Auch das bereits 25 Jahre alte „Zeitzeichen“ aus der Radiowelle WDR 5 ist als Podcast verfügbar [17]. Der Artradio-Podcast, der zu der Kunstmesse ArtCologne in Zusammenarbeit mit dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie produziert wurde, konnte innerhalb einer Woche etwa 198.000 Clicks von rund 2000 Hörern verzeichnen [18]. Auch das FH-Radio der Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg betreibt einen monatlichen Podcast, der eine Zweitverwertung der Sendungen der RadioCrew darstellt. Hier geht es um Kino- und DVD-Tipps sowie Musikinhalte [19]. Kreative Kraft und ist der ehemalige FH-Radio-Chefredakteur Konstantin Zurawski.


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Wissenschafts-Podcasts In diesem Zusammenhang sei auch der erste deutsche Wissenschafts-Podcast genannt. Der Frankfurter Journalist Thomas Wanhoff startete mit WWWW (Wanhoffs wunderbare Welt der Wissenschaft) eine wöchentliche Sendung, in der es „um alles, was im weitesten Sinne mit Wissenschaft zu tun hat“ [20] geht. Die Qualität von WWWW ist dabei so hoch, dass sich schon bald die Helmholtz-Gemeinschaft beteiligte, die seit 2006 das frühere „Interview der Woche“ als „Helmholtz Thema“ oder „Helmholtz Interview“ anbietet [21]. Auch das Erlanger Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen, in dem das Audiokompressionsverfahrens MP3 entwickelt wurde, bietet sein Wissen in dem Podcast „ Zukunft erleben – Technik hören“ an. „Tagesschau“-Videocast Einer der bekanntesten Videocasts (Vodcasts) ist die „Tagesschau“ als Pendant der gleichnamigen Nachrichtensendung im TV. Die ARD bietet sowohl die 20.00-Uhr-Nachrichten als auch die später ausgestrahlten „Tagesthemen“ als Vodcast an [22]. Auch hier wird darauf hingewiesen, dass die Nutzung ausschließlich für private Zwecke erlaubt ist. Videocast der Bundeskanzlerin Dass der Podcast bereits in der Politik angekommen ist, zeigt das Beispiel der Bundeskanzlerin. Angela Merkel wendet sich einmal pro Woche mit ihrem Podcast an die deutschen Bürger [23]. Der Podcast ist als Audio- oder auch als

Abb. 3. Die Nachrichtensendung „Tagesschau“ als Videocast (Foto: Frank Seidel).

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Videodatei verfügbar. Doch Merkel ist nicht die Erste: Bereits vor der Bundestagswahl 2005 nutzten die damaligen Wahlkämpfer Kajo Wasserhövel (SPD) und Volker Kauder (CDU) den Podcast für die Wahlwerbung ihrer Parteien. Das erfolgte zu einer Zeit, da diese neue Form im Internet nur einer kleinen Minderheit unter den Deutschen bekannt war. Es ist daher davon auszugehen, dass die Politiker in Zukunft (z.B. vor und während der Bundestagswahl 2009) stärker von diesem Medium Gebrauch machen werden.

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Zusammenfassung

Nach den Erläuterungen zu Begriff und Funktion des Podcastings und seinen Formen bleibt die Frage nach den Auswirkungen für den konventionellen Hörfunk. Obschon in der Genese des Podcastings ohne Zweifel der User Generated Content der so genannten WEB 2.0 Comunity, also einer Autorenschaft, die sich aus Laien oder Semi-Professionellen zusammensetzt, den entscheidenden Anfang gemacht hat, hat dieses Format schon längst den professionellen Sektor erreicht. Radiosender, Unternehmen und auch politische Organe nutzen Podcasting für ihre Botschaften. Es stellt sich die daher Frage, ob Podcasting eine Gefahr oder ein Gewinn für das konventionelle Radio ist. Bedeutet es lediglich eine Zweitverwertung jeglichen Inhaltes oder kann Podcasting auch eine Einnahmequelle durch kommerzielle Angebote werden? Podcasts als Audio- und Videoangebote stellen schon jetzt einen Mehrwert für die Hörer (Podder) und professionellen broadcaster dar. Solange es um eine Zweitverwertung des ohnehin bereits produzierten Inhaltes geht, ist der Kostenaufwand für die Sender gering. Der Mehrwert für die Sender ist mehrschichtig: • Podcasts „senden“ auch über senderspezifische Empfangsreichweiten hinweg • Podcasts sind Radio on demand – zu jeder Zeit und egal wo (mit MP3Spieler) anzuhören • Podcasts sind „nachlesbar“ bzw. „nachhörbar“ – ein Vorteil, den das Internet mit sich bringt. • Podcasts sind in der Länge unbegrenzt. Somit können Interviews, die für das Radio den medienspezifischen Gesetzen und Zwängen entsprechend gekürzt werden müssen, ungeschnitten angeboten werden. • Podcasts ermöglichen i.d.R. über eine Kommentarfunktion unter den Episoden eine Bewertung durch die Nutzer. Somit gibt es eine im Hörfunk unübliche Pro- und Kontrasituation bzw. direkte Rückkoppelungsmöglichkeiten. • Podcasts sind bei aller positiven Hörertendenz definitiv in Deutschland noch nicht überall angekommen.


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So sehr sich der Podcast auf der privaten Ebene durchgesetzt hat, ist es „[…] das am meisten unterschätzte Medium“ [24]. Vielfach ist es den Deutschen gar nicht bekannt, oder wenn es bekannt ist, liegt es oftmals an mangelnder Zeit, sich dieser medialen Form und seinen Vorteilen zu widmen. Es ist ein so genanntes nice to have, jedoch ist die Vielzahl an Angeboten nur mir entsprechender Kenntnis und Zeit zu recherchieren und für sich persönlich auszuwählen. Neben dem renommierten „Handelsblatt“ [25] unterhält auch der Nachrichtensender n-tv einen Podcast. Doch das hochwertige Angebot wird nur zögerlich in Anspruch genommen. Hierin liegt ein großes Potenzial für die Zukunft: Sowie der Podcast in der kommerziellen Welt angekommen ist, lässt sich auch durch Werbung, Sponsoring oder integrierte Gewinnspiele Geld verdienen. Die Potsdamer Agentur Ad On Media (Podcast-Betreiber) kündigte beispielsweise für Juni 2007 ein Vermarktungsangebot für Podcasts an, das radioähnliche Werbespots vorsieht [26]. Jedoch ist es nach Ansicht von Medienexperte Helmut G. Bauer noch verfrüht, von einer umfassenden Ablösung des klassischen Radios zu sprechen: „[…] …wir wissen aus der Mediengeschichte, dass ein neues Medium kein altes Medium verdrängt hat, sondern ihm eine neue Funktion gegeben hat. […] Dass Radio vom Podcasts abgelöst wird, glaube ich nicht. Im Gegenteil, ich vermute, dass der Hörfunk davon positiv beeinflusst wird, weil er seine Inhalte auf mehreren Wegen verteilen kann“ [27]. Nach Auffassung der Autoren dieses Beitrags wird es aber zu einer größeren Aufwertung und Inwertsetzung des Podcasts kommen, da das Internet in zunehmendem Maße von Investoren und Werbekunden als Plattform aufgesucht wird. Somit ist zwar nicht mit einer Ablösung des klassischen Radio und seiner bis jetzt bekannten Programmvielfalt zu rechnen, aber mit einem deutlichen, signifikanten Bedeutungszuwachs für Podcasts / Vodcasts. Und das auch für Anbieter abseits der üblichen Medienwelt, wie die Beispiele aus Politik und Autoindustrie zeigen.

Literatur [1] Martens, Dirk: Podcasts etablieren sich. In: Horizont, Nr. 17/2006, S. 74 [2] Nach Angaben von Apple sind zwischen 11/2001 und 04/2007 100 Mio iPods verkauft worden. (Musikexpress, Juni 2007) [3] Pluta, Werner: Die Sendung mit der Maus. In: Bild der Wissenschaft 02/2007, S. 94-97 [4] Vgl. Sauer, Moritz: Weblogs, Podcasting & Online-Journalismus. Köln, 2007. S. 75 [5] Pluta, Werner: Die Sendung mit der Maus. In: Bild der Wissenschaft 02/2007, S. 94-97 [6] „Daily Source Code“, erschienen am 13.8.2004; http://dailysourcecode.com

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[7] Vgl. auch www.behringer.com/podcaststudio-firewire/index.cfm?lang-ger [8] Martens, Dirk: Podcasts etablieren sich. In: Horizont, Nr. 17/2006. S. 74 [9] Vgl. www.podcastumfrage.de (15.10.2005) [10] Pluta,Werner: Die Sendung mit der Maus. In: Bild der Wissenschaft 02/2007, S. 94 [11] www.spiegel.de/dienste/0,1518,271804,00.html (23.6.2008) [12] o.V.: Praxis: Infos im Netz. In: Macwelt Sonderheft iPod 3/2007, S. 96 [13] Vgl. auch www.podcast.de/software/podcatcher (22.6.2008) [14] Brodmüller-Schmitz, Alexandra: iLife ’06. München, 2006. S. 117ff. [15] Rubens, Annik: Podcasting – Das Buch zum Audiobloggen. Köln, 2006 [16] ARD: Arbeitsgemeinschaft öffentlich-rechtlicher Rundfunkanstalten Deutschlands [17] Vgl. auch www.wdr5.de/sendungen/zeitzeichen.html (23.6.2008) [18] www.artradio.de [19] FH-Radio-„Screenshots”: www.fhradio.de/index.php?&id=66 (23.6.2008) [20] Pluta, Werner: Die Sendung mit der Maus. In: Bild der Wissenschaft 02/2007, S. 94-97 [21] Vgl. auch www.helmholtz.de/aktuelles/helmholtzaudio (22.6.2008) [22] Siehe auch www.tageschau.de/podcast (22.6.2008) [23] Siehe auch www.bundeskanzlerin.de (22.8.2008) [24] Peymani, Bijan: Manager hören nicht. www.wisonet.de/webcgi?START=A20& DOKM=511632_ZECO_0&WID=29252-9770548-11224_5 (22.6.2008) [25] www.handelsblatt.com/rss/podcast.xml (21.6.2008) [26] Martens, Dirk: Podcasts etablieren sich. In: Horizont, Nr. 17/2006. S. 74 [27] „An Podcasts kann keiner vorbei.“ Interview mit Helmut Bauer. In: Menschen machen Medien, 5/2007, S. 12

A New Generation of Highly Efficient Light Sources Robert Scholl Department of Electrical Engineering, Mechanical Engineering and Technical Journalism

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Introduction

In the last 5 years a close co-operation between the Bonn-Rhein-Sieg University of Applied Sciences and the Philips Research Laboratories in Aachen has been established. In this article I want to report on the co-operation of the Department of Electrical Engineering, Mechanical Engineering and Technical Journalism with Philips. Besides a number of diploma theses on the field of water treatment with new discharge lamps, power electronics and modelling of electromagnetic field configurations, there is running also an activity on a new generation of highly efficient light sources based on molecular discharges. The starting point of this activity was the rise of another new lamp type, the so-called light emitting diode (LED). This lamp type, till now only known as signal lighting with low power and efficiency, was improved in the last 10 years with respect to light technical values like efficiency, power and spectrum (available colours and white light opportunities). They are nowadays a real competition to classical light sources like incandescent lamps and low and highpressure discharge lamps. This fact was regarded as a threat from the Philips point of view, as a company producing classical light sources and not LEDs. The reaction of Philips was twofold: first a build-up of LED competencies and capabilities, second a program to improve the efficiency and characteristics (for example environmentally friendly) of classical low and high-pressure discharge lamps. The aim of the second activity is to improve the efficiency of discharge lamps to an amount that they can compete against LEDs also in the future. In this article I want to give an overview on molecular discharges, which are believed to have the highest potential for an increase in efficiency and other light technical characteristics (environmentally friendly). The article is essentially the content of an invited paper on the International Symposium on the Science and Technology of Light Sources LS:10 2004 in Toulouse in France from Dr. Rainer Hilbig, Achim Koerber, Dr. Johannes Baier from Philips and myself.

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Robert Scholl

Before giving an overview on molecular discharges it is important to note that nearly all discharge lamps in Lighting applications are based on atomic species. The use of mercury, sodium or rare gases is state of the art. In existing high intensity discharge (HID) lamps containing metal halides molecular radiation is contributing to a lesser extent to the spectrum. In some transient rare gas discharges (e.g. dielectric barrier discharges) the radiation originates from excimer molecules formed from the atomic fill gases within the plasma. The sulfur lamp was the first attractive concept solely based on a molecular filling. This HID operating in S2 vapour stimulated the search for other molecular discharges, which are favourable for Lighting purposes. The article gives an overview on molecular discharges, which are of interest for Lighting applications. General demands on and basic properties of such discharges are described. The focus is put on light sources, which are able to generate white light with good colour rendering properties. Besides concepts for HID also opportunities for fluorescent lamp like discharges (molecular low pressure discharges, LPD) are discussed. The emphasis is placed on recent findings. The first attempts to use gas discharges for Lighting purposes were reported by D. McFarlan Moore [1-4]. He already used molecular (hydrocarbons plus N2) plasmas for white light generation; the first Lighting installations of Moore tubes date back to the year 1898. Afterwards efficient light sources in the field of general Lighting were, however, mainly based on atomic gas discharges. These lamps used rare gases or mixtures of rare gases with mercury as light emitting substances. While efficient fluorescent lamps nowadays still work with Hg as the species generating the ultraviolet radiation that is converted by phosphors into visible white light, in HID lamps the role of light generation is partly transferred from mercury to atomic or molecular lamp additives. However, many of the modern HID lamps still contain Hg to combine a good lamp efficacy with a high burning voltage. Since the discovery of the high pressure Sulfur (S2) discharge [5] the potential of diatomic molecular radiators for light generation is widely acknowledged. This concept for the first time demonstrated an HID lamp with very high plasma efficacy (up to 180 lm/W white light) without using high “buffer” gas pressures of atomic species like Hg or Xe. A few years before transient discharges (e.g. dielectric barrier discharges, DBD) were proposed as light sources [6, 7] yielding new opportunities for the generation of ultraviolet radiation. In DBD lamps radiation is used which originates from excimer molecules formed from the atomic fill gases within the plasma (typically rare gases and their mixtures or rare gases mixed with halides). All these findings stimulated investigations to find further alternatives to existing gas discharge lamps with the aim of being more environmentally friendly (thus either being more efficient and / or using no environmentally unwanted substances within the lamp filling).

A New Generation of Highly Efficient Light Sources

2

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General Consideration

The focus of this overview lies on efficient discharges based on molecular plasmas. Discharges based on excimer molecules (e.g. as in DBD) will not be considered. The presentation discusses molecular discharges both at low vapour pressures (molecular LPD) and high vapour pressures (molecular HID). The aim of generating white light with high efficacy results in different demands for molecular HID and LPD. For molecular HID we demand broadband light emission directly in the visible combined with a high plasma efficacy. Molecular LPD should by contrast emit either directly in the visible or in the UV-A region at high plasma radiation efficiency. White light with good colour rendition can then be obtained in the same way as in existing fluorescent lamps using suited phosphors, which efficiently convert the near UV-radiation into visible light. Such phosphors are out of the scope of this presentation. Molecular LPDs with plasma efficiency comparable to or even slightly below that of mainly UV-C emitting Hg-rare gas discharges have advantages with respect to lamp efficacy. The conversion of UV-A radiation into visible light can take place with less heat losses in suited phosphors. Thus this presentation will be divided into 2 parts: molecular HID and molecular LPD. 2.1 Molecular High Intensity Discharges The invention of the sulfur lamp by Fusion Lighting stimulated investigations in the field of pure molecular HID lamps. As promising molecular fillings besides sulfur, Fusion Lighting also patented selenium and tellurium in pure form or with admixtures [8, 9, 10]. All these fillings yield a broadband emission spectrum, which is more or less confined to the visible range, and show high plasma efficiency. For the sulfur discharge Fusion Lighting e.g. claimed a

Intensity [a.u.]

1

S2 Se2 Te2

0.5

0 300

400

500

600

700

800

900

Wavelength [nm] Fig. 1. Typical emission spectra of Sulfur, Selenium and Tellurium microwave discharges.

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Robert Scholl

plasma efficacy of 164 lm/W at a microwave input power of P = 800 W. The CRI of this discharge was 80 [11]. Typical emission spectra of S2, Se2 and Te2 are plotted in figure 1. Other examples of molecular HID from the earlier literature are “group III A and group IV A halides” [12], e.g. halides of Aluminum [13, 14], Indium [13] and Tin [15, 16], “rare earth iodides” [17, 18] or “group V B oxides” [19] [20]. These examples already indicate that there might be a larger number of diatomic molecules potentially suited as radiating species in a HID lamp. We try to estimate this number using the table of the periodic system (figure 2). There are in total about 110 elements out of which ~35 are radioactive, highly poisonous or inert (dark grey in figure 2) and therefore have to be excluded. The remaining ~75 elements can form ~2800 different combinations of diatomic molecules. For the sake of clarity it is strongly desirable to significantly reduce this number. Since the elements of each group of the periodic table generally show similar physical properties, we may arrange the diatomic molecules in “classes” which are combinations of two groups of the periodic table. Omitting the rare gases, the remaining 15 groups (main groups Ia – VIIa and transition elements Ib – VIIIb) of the periodic table are forming 120 (= 15 * 16 / 2)) distinct “classes” of diatomic molecules. Furthermore, qualitative selection criteria were derived to predict diatomic molecules suited for efficient generation of white light with good colour rendition. First of all a sufficient partial pressure of the diatomic molecule is needed. Figure 2 shows which 2 groups (“evaporators” VIa and VIIa) should therefore

Fig. 2. Periodic system with highlighted “forbidden” elements (dark grey) and elements known to increase the vapour pressure of diatomic molecules (light grey).


179

contribute at least one component to the diatomic molecule. This constraint considerably reduces the number of possible ”classes” to 29 (“evaporators” times “other groups” = 2 * 13 plus “evaporators” combined with themselves = 3). For each particular diatomic molecule the attainable vapour pressure can be calculated with the help of thermo-chemical equilibrium programs and databases or estimated from the respective data tables. Second, the predominant emission should be in the visible or UV, but not in the IR. Therefore, the difference of the electronic energies between the upper and lower level of the considered molecular band system should not be too low. Also other, low-lying IR radiating transitions should be absent both in the molecule and in the involved elements. Third, the transition probability of the considered molecular band system should be high and the molecular ground state should be the preferred lower level. Forth, we demand a broadband emission to get a good colour rendition. This implies that the equilibrium distances of the upper and lower potential curve should not lie too close together, since this would inevitably lead to narrowband emission. To apply these selection criteria one needs information on the spectroscopic constants and dipole transition moments of the diatomic molecules under consideration. Beside the classical book of Huber and Herzberg [21] an ever-increasing number of experimental or theoretical papers may be readily found in the primary literature. As an aid to explain and guide experiments the spectra of molecular HID discharges can be simulated very well using either the “Classical Franck-Condon” (CFC) radiation model [22, 23] or a “quantum-mechanical” approach [24, 25]. For “optically thick” molecular transitions a radiation transport calculation must be included [24]. As a first check one may notice that the molecules S2, Se2, and Te2 formed by elements of group VI A of the periodic system fulfill the mentioned selection rules. As an example to show the opposite one might consider the group V A homonuclear diatomic molecules N2, P2 and As2. Judging only from the attainable partial pressure of the diatomic molecule they should be perfect candidates. Experimentally, however, a microwave discharge in 330 µmole phosphorus within a spherical quartz vessel of 32 mm inner diameter yields only efficacies of about 10 lm/W (Figure 3). The reasons for this discrepancy are based in the fact that the electronic state structures of the group V A and the group VI A homonuclear molecules – and the types of allowed transitions – are considerably different. S2, for example, has a paramagnetic ground state X of type “3Σg-” and the lowest level allowed to radiate to X is “B 3Σu-” located about 4 eV above X. P2, however, has a diamagnetic ground state “X 1Σg+ ” and the lowest level allowed to radiate to X is “C 1Σu+” located about 6 eV above X. In contrast to S2 the corre-

180

Robert Scholl 0.2

Intensity [W/nm]

P2 Exp. P2 c-b CFC

0.15

P2 b-a QM

0.1 0.05 0 400

600

800

1000

1200

1400

Wav e le ngth [nm]

Fig. 3. Measured and simulated spectra of phosphorus discharge at 400W microwave input power.

sponding strong UV band system does not extend into the visible. The only visible transitions are spin-forbidden, symmetry-forbidden (e.g. A 1Πg – X 1Σg+) or originating from high lying states (about 6 eV above X). Figure 3 demonstrates that the rather weak visible emission is due to the “c 3Πu – b 3Πg” transition between high-lying and thus weakly populated states. A further disadvantage is the presence of the allowed IR transition “b 3Πg – a 3Σu+”, which leads to appreciable infrared radiation losses (cf. Figure 3). The described selection criteria also resulted in further positive results. We found diatomic molecules formed from elements of group IV A and group VI A of the periodic system to be well suited for efficient white light generation. Although this class of diatomic molecules has a very similar electronic state structure as the group V A homonuclear molecules, the electronic energy levels

GeS,

Intensity [W/nm]

2

430 µmol

GeSe, 170 µmol GeTe, 170 µmol

1.5 1 0.5 0 300

400

500

600

700

800

Wavelength [nm] Fig. 4. Measured spectra of Ge-chalcogenide discharges at 1000W microwave input power. [23]


181

are located much more advantageous. The triplet states “b 3Πg” and “a 3Σu+” are lying very close giving rise only to quite low IR losses. The “A 1Π – X 1Σ+” transition is now allowed and can contribute to the visible emission together with the dominating “E 1Σ+ – X 1Σ+” transition. Figure 4 shows the measured emission spectra of the germanium chalcogenides GeS, GeSe and GeTe, which yield a broadband emission in the visible and high efficiency. The GeTe discharge, for example, reaches at 1 kW microwave input power a plasma efficacy of 115 lm/W at a colour temperature of 4600 K and a colour rendering index Ra8 = 84. More details about this class of molecules are given in another contribution at this conference [23]. 2.2 Molecular Low Pressure Discharges Within this chapter we will present molecular low-pressure discharges for Lighting applications as discussed in literature. The presentation will concentrate on the properties of the molecular plasma, which are the most important issue for obtaining a highly efficient light source. We will discuss differences in the molecular emission characteristics as well as perform some rough power balancing for selected molecular plasmas. History of Molecular LPD The introduction of this article already mentioned the very first investigations on molecular low-pressure discharges for Lighting applications [1-4]. Within this overview we restrict ourselves to publications during the last 25 years. In 1979, Thorn Electrical Industries claimed a fluorescent lamp containing copper halides [26]. GTE Sylvania (Lapatovich et. al.) reported work on molecular low pressure discharges in iodine, mercury halides and aluminium trihalides in the 1980’s [27-29]. In 1985, Badura et. al. published a paper on operating a discharge on sulfur vapour at vapour pressures of several mbars [30]. The invention of the very efficient HID sulfur lamp seems to have stimulated also further work on sulfur molecular low-pressure discharges [31-33]. The group around Lawler claimed the maximum plasma efficiency to be 17 %. In the period 1997 – 2003 there have been some conference contributions and publications about the use of other molecules in LPDs [34-41]. On the GEC conference in 1998 there was for example a contribution of Ukegawa and Gallagher about MgH2 [34]. Low-pressure discharges using the OH radical or molecular deuterium (D2) have been presented by Milenin et. al. (1997) and Aono et. al. (2003) on ICPIG conferences [35, 36]. The authors of this article published investigations on molecular LPD with fillings based on copper-, indium- or thallium compounds or on silicon-, germanium-, tin- or leadchalcogenides in 2002-2003 [37-40]. R. Devonshire et. al. reported work on

182

Robert Scholl

N2 and CN in 2002 [41]. Some of these molecular low-pressure discharges will now be discussed in more detail. Spectra of Molecular LPD Molecular low-pressure discharges can be divided into 3 classes according to the different appearance of their emission spectrum: 1. pure molecular emission spectrum 2. spectrum dominated by lines of (one of the) atomic species of the molecule 3. a mixture of type I and type II. An example for type I is the sulfur discharge. A typical emission spectrum is depicted in figure 5. Also in low-pressure discharges sulfur vapour shows a broadband molecular emission (B 3Σu- – X 3Σg- transition of S2), but unlike under the HID conditions discussed above the main emission here is found in the UV. It starts around 280 nm, reaches highest intensity around 305 nm and decreases continuously up to the visible range of the spectrum. Even with the used low resolution the vibronic structure of S2 is visible.

relative intensity

1 .0 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 .0 250

300

350

400

450

w a v e le n g th

500

550

600

650

[n m ]

Fig. 5. Emission spectrum of a low-pressure sulfur discharge.

Low-pressure discharges operating on thallium bromide with a rare buffer gas are an example for type II. A typical emission spectrum of such a discharge at a power density of P = 0.1 W/cm3 with 5 mbar Ar as buffer gas is shown in figure 6. In the wavelength range λ = 300 nm – 550 nm only the resonance lines of atomic Tl (535 nm, 378 nm, 352 nm and 323 nm) are present, whereas no emission of the TlBr molecule is obtained. A plasma efficiency of up to 22 % was measured.


183

relative intensity

1 .0 0 .8

T = 280° C T = 330° C

0 .6 0 .4 0 .2 0 .0 250

300

350

400

450

500

w a v e le n g th

550

600

650

[n m ]

Fig. 6. Emission spectra of thallium bromide LPDs at wall temperatures of 280°C and 330°C.

The general appearance of the spectrum does not change if the wall temperature i.e. the thallium bromide vapour pressure is increased. However, the amount of direct visible radiation can be optimised. With increasing temperature the visible (green) line emission grows at the expense of the ultraviolet Tl lines. Figure 7 shows the measured ratio of the integrated line intensities of the green line vs. the UV-lines. 1 .5

intensity ratio

1 .3 1 .1 0 .9 0 .7 0 .5 0 .3 280

290

300

310

320

330

T e m p e ra tu re [° C ]

Fig. 7. Ratio of line emission at λ = 535 nm relative to UV-emission (λ < 400 nm).

The explanation for this behaviour is that radiation trapping of atomic thallium is increased with increasing vapour pressure of thallium bromide. The Tl 378 nm UV resonance line and the 535 nm green light start from the same upper level 7s 2S1/2. The UV-transition, however, ends at the atomic ground state 6p 2P1/2, while the transition responsible for the emission of visible light ends at the less populated 6p 2P3/2 state (which lies ~1 eV above the ground state).

184

Robert Scholl

0.10 CuBr Exp. Cu atom CuBr A-X B-X

0.09 Intensity [a.u.]

0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 300

350

400

450

500

550

600

Wavelength [nm]

Fig. 8. Emission spectrum of a copper bromide LPD at a temperature of T = 370°C.

An example for a molecular low-pressure discharge of type III is the copper bromide discharge with Ar as buffer gas. In figure 8 the measured emission spectrum is shown in the wavelength range λ = 300 nm – 600 nm together with a spectrum calculated under simple assumptions for the molecular excitation and radiation process. There is a good agreement between predicted and measured emission with respect to the emission wavelengths. Therefore, the spectrum consists of CuBr molecular emission band systems in the visible (A 3Π1 – X 1Σ+ and

Fig. 9. Emission spectrum of a low-pressure magnesium hydride discharge at a cold spot temperature of T = 500°C [fig. 3b of ref. 34].


185

B 1Π – X 1Σ+) and the atomic copper line emission dominating in the near ultraviolet. Another example for type III is the emission of MgH in a low-pressure discharge [34]. In contrast to the CuBr and also the S2 LPD, this discharge emits very narrow bandwidth radiation around λ = 515 nm. The origin of this radiation is the A 2Π – X 2Σ+ transition of the MgH molecule. The molecular emission overlaps with line emission of atomic Mg (4 3S1 – 3 3P2,1,0). Figure 9 shows the highly resolved emission spectrum [fig. 3b of ref. 34] in the wavelength range λ = 495 nm – 525 nm. The authors of Ref. [34] report a plasma efficiency of 10 % for this discharge.

3

Conclusion

Within this overview the recent work on molecular discharges for Lighting applications has been presented. It has been shown that diatomic molecules are potential alternative fillings for discharge lamps without using any environmentally unwanted substances. White light generation with high lamp efficacy appears to be feasible. There exist several molecular LPDs with emission spectra closer to the visible than the atomic mercury LPD. Some of them like MgH even emit directly in the visible. Until now plasma radiation efficiencies close to 30 % have been reported as maximum values. Some of the considered molecular emitters need burner temperatures similar to the low-pressure sodium lamp to reach a sufficient vapour pressure and plasma efficiency. Nevertheless, there are many opportunities to further increase the plasma efficiency of molecular low-pressure discharges, which is, however, regarded as the key factor determining the reachable lamp efficacy for white light generation. An example for a high intensity discharge solely based on molecules is the “sulfur lamp”. Forced by the high chemical reactivity of sulfur vapour Fusion Lighting marketed an electrodeless, microwave-driven lighting system. Due to the limited conversion efficiency from mains to microwave power the efficacy advantage of the S2 discharge is here significantly reduced. This overview discusses further possible alternatives for molecular HID lamps emitting white light at high efficacy. These alternatives to sulfur might be chemically less aggressive. In view of the very limited effort in this field up to now there seem to be many further opportunities for finding new attractive molecular plasmas or for improving the performance of known molecular discharges.

186

Robert Scholl

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Teil 4: Fachbereich Wirtschaft Rheinbach

Seit seiner Gründung im Jahre 1995 hat sich der Fachbereich Wirtschaft Rheinbach der Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg in drei verschiedenen Phasen entwickelt. In einer ersten Phase wurde der Fachbereich gegründet und aufgebaut, wobei die vorrangige Aufgabe der Gründungsdekanin, Frau Prof. Dr. Brigitte Grass, darin bestand, die ersten Professorinnen und Professoren sowie die ersten wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter zu berufen, geeignete – wenn auch provisorische – Unterrichts- und Verwaltungsräumlichkeiten bereit zu stellen, und ein entsprechendes Curriculum für den Studiengang „Betriebswirtschaftslehre“ mit den Abschlüssen Diplom-Betriebswirt und später Diplom-Kaufmann zu entwickeln. Ergänzt wurde diese Aufgabe durch die Planungsarbeiten bezüglich des Neubaus der Abteilung Rheinbach mit den Fachbereichen Wirtschaft und angewandte Naturwissenschaften, einer Bibliothek und einer Mensa. Durch den 1999 eingeleiteten Bologna-Prozess zur Steigerung der Vergleichbarkeit des europäischen Hochschulwesens wurde es unter der Leitung des zweiten Dekans, Herrn Prof. Dr. Oded Löwenbein, zur Aufgabe, das bestehende betriebswirtschaftswissenschaftliche Curriculum den neuen Begebenheiten anzupassen. Daraufhin hat der Fachbereich seine Curricula sehr zügig auf gestufte Studiengänge umgestellt und im Jahre 2003 als einer der ersten Fachbereiche in Nordrhein-Westfalen die erforderliche Akkreditierung erhalten. Optiert wurde für einen international orientierten, sechssemestrigen BachelorStudiengang „Business Administration“. Gleichzeitig wurde ein viersemestriger, nicht-konsekutiver Studiengang „Master of Business Administration“ eingeführt, der sich an Studierende wendet, die sich neben ihrer beruflichen Praxis im Bereich „General and Strategic Management“ weiter entwickeln wollen. Dieser Studiengang ermöglichte als einer der ersten bundesweit überhaupt Fachhochschulabsolventen den Zugang zum höheren öffentlichen Dienst. Wenn man sich die mehr als dreizehnjährige Geschichte des Fachbereichs Wirtschaft Rheinbach ansieht, so muss es durchaus erlaubt sein, von einer Erfolgsstory zu sprechen. Die Anzahl der Studierenden von anfangs 30 bis auf 650 heute sind dafür ein eindeutiger Beleg. Der Bekanntheitsgrad der Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg sowie des Fachbereichs Wirtschaft Rheinbach hat enorm zugenommen, der Fachbereich ist durch ein überdurchschnittliches Abschneiden in den entsprechenden Hochschul-Rankings gut positioniert und die Palette der Maßnahmen zur Steigerung der Qualität in der Lehre und in der Betreuung der Studierenden hat sich stetig erweitert. Auch konnte sich der Fachbereich als innovativer und verlässlicher Partner für die regionalen Wirtschaftsakteure etablieren. Was bleibt also noch zu tun? Wie soll es weitergehen? Kann der Fachbereich Wirtschaft Rheinbach sich auf seinen Lorbeeren ausruhen und die Entwicklung der Hochschullandschaft auf sich zukommen lassen? Es ist davon auszugehen, dass nichts gefährlicher ist, als eine abwartende, passive Haltung. Die Hochschullandschaft ist in Bewegung, die Verände-

192


rungsprozesse haben für die Kultur der Hochschulen eine fast galaktische Geschwindigkeit angenommen, sei es durch die Einführung des BolognaSystems auf europäischer Ebene oder die Notwendigkeit der Akkreditierung, das neue nordrhein-westfälische Hochschulgesetz, die Einführung der Studiengebühren, die Forderung nach mehr Forschungsleistung seitens der Fachhochschulen, die bundesdeutsche Exzellenz-Initiative, mit indirekten Auswirkungen auf die Fachhochschulen, die Beteiligung von Fachhochschulen an Promotionsverfahren, oder aber durch den stetigen Ruf nach einer Steigerung der Qualität in der Lehre, etc. Die Zeiten des geruhsamen Lehrens und Forschens sind somit endgültig vorbei, der Druck auf die Fachhochschulen erhöht sich, sie müssen reagieren und sie wollen schnell agieren. Um diesen Herausforderungen erfolgreich zu begegnen, ist es für den Fachbereich Wirtschaft Rheinbach unabdingbar, eine vernünftige Strategie zu entwickeln und alles dafür zu tun, sie auch erfolgreich umzusetzen. Die in einer dritten Entwicklungsphase unter dem jetzigen Dekan erarbeitete Strategie des Fachbereichs basiert auf der Überzeugung, dass eine Begrenzung des Lehrangebots allein auf einen Bachelor-Studiengang „Business Administration“ nicht ausreichend sein wird, um die Erfolgsgeschichte unseres Fachbereiches im bisherigen Umfange fortsetzen zu können. Im Gegenteil, steigende Studentenzahlen und wachsende Anforderungen an eine Angebotsdiversifizierung sowie das Konzept des „Lifelong-Learnings“ führen zur Notwendigkeit, innovative und marktgerechte Lösungskonzepte auszuarbeiten. Aus diesem Grunde ist der Fachbereich bestrebt, sein Leistungsspektrum kontinuierlich, aber systematisch und reflektiert weiter zu entwickeln. Diese Weiterentwicklung soll aber nicht zu einem Angebots-Potpourri führen, sondern ist um das Grundangebot eines „Bachelor of Arts in Business Administration“ aufgebaut und erfolgt aus dem Selbstverständnis, dass der Fachbereich Wirtschaft Rheinbach keine Wissenschaftler ausbilden will, sondern Praktiker, die jedoch ihr Wissen und Können auf wissenschaftlichen Erkentnissen gründen und nach wissenschaftlichen Methoden in der unternehmerischen Praxis umsetzen können. Dabei ist die Sichtweise eine systemisch-holistische, bei der es nicht darum geht – in Anlehnung an Lichtenbergs Aphorismus – Betriebswirte auszubilden, die nur Betriebswirtschaft kennen, sondern zukünftige Führungskräfte, die in der Lage sind, die unternehmerische Praxis in einer wirtschaftswissenschaftlichen Perspektive zu reflektieren und aufgrund profunder technischer, sozialer, organisatorischer und methodologischer Kompetenzen anhand von geeigneten Problemlösestrategien umzusetzen. Dieser Ausbau erfolgt zum Beispiel auf der Ebene des „Bachelor of Arts in Business Administration“ durch die Einführung eines zweiten Schwerpunktfaches, wobei das Augenmerk insbesondere auf einer funktionalen und beruflichen Qualifizierung liegt. Absolventen dieses Studiengangs sollen in die Lage


193

versetzt werden, bei Berufseintritt ganz konkrete Aufgaben in etablierten Berufsfeldern übernehmen zu können. Darüber hinaus wird der Fachbereich Wirtschaft Rheinbach ab dem Wintersemester 2009 einen neuen Studiengang „Wirtschaftspsychologie“ einführen. Dabei reagiert der Fachbereich auf den Bedarf seitens der Industrie und des Dienstleistungssektors, vermehrt betriebswirtschaftliche Kenntnisse mit psychologischen Kompetenzen zu kombinieren, da der sogenannte menschliche Faktor in der unternehmerischen Praxis eine immer größere Rolle einnimmt. Ein weiterer wichtiger Meilenstein in Richtung Marktorientierung wird durch die Einführung eines neuen „Master of Arts in NGO-Management“ gelegt. Die Region Bonn charakterisiert sich durch einen sehr hohen Anteil dieser sogenannten „Non-Governmental-Organisations“, die insbesondere im sozialen Bereich und in der Entwicklungszusammenarbeit tätig sind. Dieser Trend wird verstärkt durch die Präsenz des Bundesministeriums für Wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung sowie durch den UN-Campus mit zahlreichen Abteilungen und Institutionen. Der wohl einmalige Studiengang zielt auf die postgraduierte Weiterbildung von Entwicklungshelfern, Mitarbeitern in NGOs oder NGO-Führungskräfte und -Geschäftsführer ab. Schlussendlich sollten die Bestrebungen des Fachbereichs Wirtschaft Rheinbach in Richtung Entwicklung eines eigenen Forschungsprofils erwähnt werden. Auch wenn die einzelnen Professorinnen und Professoren des Fachbereichs, eigene Forschungsvorhaben durch entsprechende Projekte, Konferenzen und Publikationen verfolgen, so ist es der erklärte Wille des Fachbereichs, mittelfristig ein gemeinsames Forschungsprofil zusätzlich zu entwickeln. Als Forschungsthema hat sich der Fachbereich auf das Konzept der „nachhaltigen Unternehmensentwicklung“ festgelegt, wobei es darum geht, ein präzises Forschungsprogramm aufzustellen, Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter für Forschungszwecke einzustellen, an Promotionsprogrammen teilzunehmen, Drittmittel einzuwerben sowie konkrete und anwendungsbezogene Forschungsprojekte durchzuführen. Die Hochschulwelt ist und bleibt also in Bewegung, die Herausforderungen sind zahlreich und die Möglichkeiten zur Selbstentwicklung eines innovativen Fachbereichs fast unbegrenzt. Es geht darum die Chancen zu entdecken und zu nutzen, zum Wohle der Studierenden, der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Fachbereichs, der gesamten Fachhochschule und der Region BonnRhein-Sieg, in die der Fachbereich Wirtschaft Rheinbach so erfolgreich eingebettet ist. Prof. Dr. Marc Ant, Dekan des Fachbereichs

Zur Wettbewerbssituation kleiner und mittelständischer Unternehmen in der BRD – Implikationen für das strategische Controlling Klaus Deimel Fachbereich Wirtschaft Rheinbach

1

Einleitung

Seit Jahren steht die aktuelle Situation des Mittelstands in der BRD im Zentrum des Interesses der Öffentlichkeit, der Wissenschaft wie auch der Medien. Eine beträchtliche Anzahl empirischer Studien der letzten Zeit belegen das gestiegene Interesse an Fragen des Mittelstands. Während sich die meisten der referierten Studien mit der allgemeinen wirtschaftlichen Situation der kleinen und mittleren Unternehmen beschäftigen (vgl. Ernst & Young 2005, S. 4 – 6; Manager Magazin et al. (Hrsg.) 2004, S. 17 – 19; Gruner und Jahr (Hrsg.) 2004, S. 16 – 20) wird der strategischen Positionierung mittelständischer Unternehmen sowie den auf dem Markt wirksamen Wettbewerbskräften bisher kaum Beachtung geschenkt. Ebenso wird versäumt, die Auswirkungen der wahrgenommenen Wettbewerbsintensität auf Wachstum und Rentabilität der kleinen und mittleren Unternehmen zu untersuchen. Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende empirische Studie zum Ziel gesetzt, folgende Fragestellungen zu untersuchen: • Erhebung der allgemeinen wirtschaftlichen Situation des Mittelstands sowie jeweils differenziert nach den typischen mittelständischen Branchen Handel, Handwerk, Industrie und Dienstleistungen; • Erhebung der aktuellen Wettbewerbskräfte allgemein sowie in den oben beschriebenen Segmenten; Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der durch die Unternehmen wahrgenommenen Wettbewerbsintensität und dem Wachstum bzw. der Rentabilität der kleinen und mittleren Unternehmen. Aus diesen Ergebnissen sollen anschließend Schlussfolgerungen für das strategische Controlling kleiner und mittlerer Unternehmen gezogen werden.

196

2

Klaus Deimel

Forschungsdesign

Die vorliegende Untersuchung basiert auf einer schriftlichen, empirischen Befragung mit Hilfe eines strukturierten Fragebogens in kleinen und mittelständischen Unternehmen. Befragt wurden die Geschäftsführer bzw. Inhaber von 1.000 kleinen und mittleren Unternehmen in der BRD mit einem Jahresumsatz bis ca. 50 Mio. Euro und einer Mitarbeiterzahl zwischen 5 und max. 500 Mitarbeitern. Die Befragung fand im Erhebungszeitraum Juni 2004 – Januar 2005 statt. Grundlage der Erhebung bildete die Adressdatenbank „Markus“ (Creditreform). Die Rücklaufquote betrug ca. 10 %. Somit waren 101 Fragebögen auswertbar.

3

Forschungsergebnisse

3.1 Allgemeine wirtschaftliche Situation kleiner und mittlerer Unternehmen Zunächst einmal wurde die allgemeine wirtschaftliche Situation der kleinen und mittleren Unternehmen betrachtet. Zur Messung der individuellen Performance der Unternehmen wurde entsprechend den Studien zum Industrial Organization-Ansatz (vgl. zum Industrial Organization Ansatz u.a.: Bain 1956; Welge / Al-Laham 2003, S. 37 – 38; zu Knypphausen-Aufseß 1995, S. 53 – 56)) die Eigenkapitalrentabilität sowie als zusätzlicher Performance-Indikator das Umsatzwachstum erhoben (vgl. zur Performance Operationalisierung: Schmalensee 1989, S. 960 – 961). Wegen der hohen Sensibilität mittelständischer Unternehmen bei diesen Daten wurden hierbei keine Absolutwertungen erfragt, sondern die Einschätzung der Position des eigenen Unternehmens im Vergleich zum Branchendurchschnitt erhoben. Auf die Frage, wie hoch die Eigenkapitalrentabilität bzw. das Umsatzwachstum in den letzten zwei Jahren im Vergleich zum Branchendurchschnitt war, antworteten die Unternehmen wie in Abb. 1 dargestellt. Immerhin rd. 1/3 der befragten kleinen und mittleren Unternehmen gab an, in den letzten zwei Jahren eine Eigenkapitalrentabilität bzw. ein Umsatzwachstum über dem Branchendurchschnitt erzielt zu haben, also überdurchschnittlich erfolgreich zu sein. 35 % bzw. 41,8 % der Unternehmen erzielten nach eigenen Angaben eine branchendurchschnittliche Performance und nur 7,1 % bzw. 8 % hielten ihren Unternehmenserfolg für unterdurchschnittlich. Auch in der vorliegenden Studie bestätigt sich der Trend, dass die eigene Unternehmenssituation häufig deutlich besser eingeschätzt wird als die Situation der Branche. Untergliedert man die Situation der kleinen und mittelständischen Unternehmen noch weiter hinsichtlich der Größe, so kann festgestellt werden, dass die größeren mittelständischen Unternehmen in der Stichprobe im Vergleich

Zur Wettbewerbssituation kleiner und mittelständischer Unternehmen

197

zu Kleinst- und Kleinunternehmen im Durchschnitt eine überdurchschnittliche Eigenkapitalrentabilität wie auch ein höheres Umsatzwachstum aufweisen (vgl. Abb. 2). Wie hoch ist die Eigenkapitelrentabilität/ das Umsatzwachstum Ihres Unternehmens in den letzten zwei Jahren? in %

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

8 7,1

unter Branchenduchschnitt

35

Branchendurchschnitt

41,8

37

über Branchendurchschnitt

32,7

20 18,4

weiß nicht

Eigenkapitalrentabilität

Umsatzwachstum

n =101

Abb. 1. Erfolgssituation im Mittelstand Wie hoch ist die Eigenkapitalrentabilität Ihres Unternehmens in den letzten zwei Jahren? in %

0

10

unter Branchendurchschnitt

20

30

40

Wie hoch ist das Umsatzwachstum Ihres Unternehmens in den letzten zwei Jahren? 50

60

0

in % unter Branchendurchschnitt

10,5

10

20

30

40

50

60

9,5

0 34,2


31,6


54,2 23,7

weiß nicht

43,2


37,5

37,5 25,7


54,2 21,6

weiß nicht

8,3

8,3 n = 100

kleine KMU (Umsatz < 5. Mio Euro)

n = 98

große KMU (Umsatz >= 5 Mio. Euro)

Abb. 2. Erfolgssituation kleiner und mittlerer Unternehmen

198

Klaus Deimel

3.2 Die Wettbewerbssituation kleiner und mittlerer Unternehmen Als Bezugsrahmen zur Erhebung der unternehmensindividuellen Wettbewerbssituation in den verschiedenen Branchen wurde im Grundsatz auf Porters-Konzept der Five-Forces zurückgegriffen. In Anlehnung an dieses Konzept wurde versucht, die von den mittelständischen Unternehmen wahrgenommene jeweilige Wettbewerbsintensität durch einfache Aussagen zu den Themenkomplexen Preisdruck durch Abnehmer (Verhandlungsmacht der Abnehmer), Zulieferdruck (Verhandlungsdruck der Lieferanten) sowie den Wettbewerbsdruck durch neue Wettbewerber oder Substitutionsprodukte zu messen. Darüber hinaus wurde versucht, die Wettbewerbssituation zwischen den bestehenden Wettbewerbern durch eine Frage zur Branchendynamik zu operationalisieren. (vgl. Porter 2000, S. 28 – 36). Die Befragten sollten das Ausmaß ihrer Übereinstimmung mit diesen Statements auf einer 5 stufigen Likert Skala angeben. Diese wurden anschließend noch einmal durch Mittelwertbildung zu einem übergeordneten Gesamtwettbewerbsindikator zusammengefasst. Die so errechnete Wettbewerbsintensität wurde anschließend noch einmal für die folgenden vier Branchen Handel, Industrie, Handwerk und Dienstleistung getrennt ausgewertet. Abbildung 3 zeigt die Verteilung des Wettbewerbsintensitätsindikators über diese mittelstandsrelevante Branchen.

Wettbewerbsintensitätsindikator

2,8

1

5

Hohe Wettbewerbsintensität

Geringe Wettbewerbsintensität

in %

45 38,5

40 35

31,1

30

25,9

30,8 31,3 25,9

25,8

25 15,4

15 10 5

18,8

18,5

20

16,2

15,4 11,1

9,7 6,3

16,2

12,9

12,6

11,1

9,7 7,4

6,4

3,2 0

0

0

0

0 0

0

0 1 -bis unter 1,5

1,5 bis unter 2

Handel

2 bis unter 2,5

2,5 bis unter 3 3,0 bis unter 3,5 3,5 bis unter 4

Handwerk

Industrie

4 bis unter 4,5

4,5 bis unter 5

Dienstleistung

n = 93

Abb. 3. Wettbewerbsintensität in kleinen und mittleren Unternehmen


199

Die Analyse der Mittelwerte zeigt insgesamt im Durchschnitt aller Unternehmen nur eine mittlere Wettbewerbsintensität (Mittelwert 2,8). Auch die Durchschnittsbetrachtung für die einzelnen Branchen zeigt hier nur geringe Unterschiede. Lediglich die Dienstleistungsbranche weist eine im Vergleich zu allen anderen Sektoren eine deutlich geringere Wettbewerbsintensität auf. Betrachtet man detailliert die Verteilung des Wettbewerbsindikators über die Unternehmen, so zeigt sich, dass die von den Unternehmen wahrgenommene Wettbewerbsintensität in allen Branchen weit streut. Offensichtlich gibt es innerhalb der jeweiligen Branchen Unternehmen, die mehr oder weniger stark vom Wettbewerb betroffen sind. Es kann hieraus gefolgert werden, dass es einigen dieser Unternehmen gelungen ist, eine unternehmensindividuelle Wettbewerbsposition aufzubauen, die diese vom Wettbewerb differenziert und diesen damit einen Vorsprung gegenüber der Konkurrenz verschafft. D.h. vom Standpunkt der Wettbewerbsintensität betrachtet, scheint es neben dem Branchenwettbewerb tatsächlich auch eine empirisch nachweisbare, unternehmensindividuelle Komponenten in der Wettbewerbssituation kleiner und mittlerer Unternehmen zu geben. Interessant ist nun die Detailanalyse hinsichtlich der Branchen. Abbildung 4 zeigt die Mittelwertverteilung in Bezug auf die Einzeldimensionen (Wettbewerbsdruck durch Abnehmer oder Zulieferer, Bedrohung durch neue Konkurrenten oder Substitutionsprodukte sowie die Branchendynamik). Die errechneten Mittelwerte wurden mit Hilfe der im Folgenden aufgeführten F-Tests auf Mittelwertunterschiede untersucht.

Wettbewerbsintensitätsindikator

2,8

1

5 Geringe Wettbewerbsintensität

Hohe Wettbewerbsintensität

stimme voll zu Die Preissituation auf dem Absatzmarkt sehe ich kritisch für mein Unternehmen

2

1,7

2,1

3

2,4

Die Zulieferer üben wachsenden Druck auf mein Unternehmen aus

3,0

3,0 3,1

2,4

Die Branche steht zukünftig vor großen Veränderungen

stimme nicht zu

2,9

2,8

Neue technologische Produkte/ neue Konkurrenten bedrohen mein Unternehmen

Gesamt

2,7

4

3,9

3,4

3,6

2,0 2,2 2,4

Handel

Handwerk

Industrie

Dienstleistung n = 91

Abb. 4. Branchenspezifische Wettbewerbsintensität

200

Klaus Deimel

„Die Preissituation auf dem Absatzmarkt sehe ich für mein Unternehmen kritisch.“ n

Mittelwert

Handel

28

2,0

Industrie

15

2,7

Dienstleistung

33

2,9

Handwerk

15

1,7

Gesamt

91

2,8

d.f.

F-Wert

Signifikanzniveau

3/87

5,097

P= 0,003**

„Die Zulieferer üben wachsenden Druck auf mein Unternehmen aus.“ n

Mittelwert

Handel

28

3,0

Industrie

15

2,8

Dienstleistung

33

3,9

Handwerk

15

3,4

Gesamt

91

3,3

d.f.

F-Wert

Signifikanzniveau

3/87

3,326

P= 0,023*

„Neue technologische Produkte / neue Konkurrenten bedrohen mein Unternehmen.“ n

Mittelwert

Handel

28

2,4

Industrie

15

3,0

Dienstleistung

33

3,6

Handwerk

15

3,2

Gesamt

91

3,1

d.f.

F-Wert

Signifikanzniveau

3/87

3,978

P= 0,01*

„Die Branche steht zukünftig vor großen Veränderungen.“ n

Mittelwert

Handel

28

2,0

Industrie

15

2,3

Dienstleistung

33

2,4

Handwerk

15

2,1

Gesamt

91

2,3

d.f.

F-Wert

Signifikanzniveau

3/87

0,467

P= 0,70


201

Wie zu erkennen ist, weisen die einzelnen Branchen relevante (teilweise signifikante oder sehr signifikante) Unterschiede auf. So ist festzustellen, dass einzelne Branchen durch die Wettbewerbsfaktoren in unterschiedlich starkem Maße betroffen sind. Betrachtet man die verschiedenen Dimensionen des Wettbewerbsdrucks im Einzelnen, so erkennt man, dass insbesondere das Handwerk wie auch der Handel überdurchschnittlich stark durch den Preisdruck der Kunden betroffen ist. Demgegenüber sind mittelständische Industrieunternehmen im Vergleich verstärktem Wettbewerbsdruck von Seiten der Zulieferer ausgesetzt. Auch die befragten Handelsunternehmen waren überdurchschnittlich vom Druck der Lieferanten betroffen. Darüber hinaus beklagten die Handelsunternehmen den zunehmenden Wettbewerb durch neue Konkurrenten oder neue Technologien. Insgesamt ist festzustellen, dass sich von den untersuchten mittelständischen Branchen insbesondere die Handelsunternehmen in einer wettbewerbsstrategisch schwierigen Lage befinden und in allen abgefragten Dimensionen einen überdurchschnittlichen Wettbewerbsdruck aller untersuchten Branchen verspüren. So ist aufgrund der derzeitigen konjunkturellen Situation der Handel als Bindeglied zwischen Produktion und Verbrauch in einer Situation, in der sowohl die Kunden als auch die Lieferanten starken Druck auf die Handelsunternehmen ausüben können. Darüber hinaus scheint der Handel durch seine Standortgebundenheit auch verstärkt von neuen Konkurrenten, z.B. durch preisaggressive Filialisten, bedroht zu werden. Neue Technologien, wie z.B. E-Business, werden in bestimmten Handelsbereichen ebenso zur Verstärkung des Wettbewerbsdrucks beitragen. Die tendenziell geringste Wettbewerbsintensität über alle Dimensionen weist dagegen die Dienstleistungsbranche auf. Hier gelingt es den Unternehmen offensichtlich verstärkt, eigenständige Wettbewerbspositionen aufzubauen, die sie unabhängig vom Wettbewerb machen. 3.3 Wettbewerbsintensität und Unternehmenserfolg kleiner und mittlerer Unternehmen Neben der deskriptiven Beschreibung der Wettbewerbsintensität, der kleine und mittlere Unternehmen in der BRD ausgesetzt sind, ist es darüber hinaus auch interessant zu untersuchen, ob ein Zusammenhang zwischen der Wettbewerbsintensität und dem Unternehmenserfolg kleiner und mittlerer Unternehmen festzustellen ist. Entsprechend den Erkenntnissen der Industrial Organization-Forschung sowie der neuen Industrieökonomik sollten in Branchen, die eine hohe Wettbewerbsintensität aufweisen, nur niedrige Renditen erzielt werden können (vgl. Welge / Al Laham 2003, S. 37-38).

202

Klaus Deimel

Hinsichtlich der Untersuchung von Branchen- und Unternehmenseinfluss weist bereits Porter darauf hin, dass auch innerhalb von Branchen erhebliche Performanceunterschiede existieren können, die auf spezifische Wettbewerbsverhältnisse einzelner Unternehmen zurückzuführen sind (vgl. Porter 2000, S. 19). So zeigen auch die oben referierten Ergebnisse der vorliegenden Studie einen stark unterschiedlich wahrgenommene Wettbewerbsintensität innerhalb der Branchen. In der vorliegenden Studie wurde auf Basis der einzelnen Unternehmen unterschiedlicher Branchen untersucht, inwieweit dort ein Zusammenhang zwischen der wahrgenommenen Wettbewerbsintensität der kleinen und mittleren Unternehmen und deren Profitabilität bzw. Umsatzwachstum festzustellen ist. Zur Analyse dieser Zusammenhänge wurde die durch die Unternehmen wahrgenommene Wettbewerbsintensität mit Hilfe des oben beschriebenen Wettbewerbsintensitätsindikators gemessen. Als abhängige Variable wurde die Einschätzung des Erfolgs der Unternehmen für die Erfolgskriterien „Eigenkapitalrendite“ und „Umsatzwachstum“ im Vergleich zum Branchendurchschnitt ermittelt. Abbildung 5 zeigt die Auswertung hinsichtlich der unternehmensspezifischen Wettbewerbssituation. Gesamtdurchschnitt 2,8 3,1

über dem Branchendurchschnitt

3,03

2,51

etwa auf Höhe des Branchendurchschnitts

2,66

2,61


1,85

0

0,5

1

1,5

2

Hohe Wettbewerbsintensität Eigenkapitalrentabilität

2,5

3

3,5

Geringe Wettbewerbsintensität Umsatzwachstum n = 79

Abb. 5. Zusammenhang zwischen Wettbewerbsintensität und Unternehmenserfolg


203

Wie zu erkennen ist, lässt sich – wie erwartet – ein deutlich signifikanter Zusammenhang zwischen der wahrgenommenen Wettbewerbsintensität und der Performance der kleinen und mittleren Unternehmen nachweisen. Kleine und mittlere Unternehmen, die eine überdurchschnittliche Performance bei beiden Erfolgskriterien aufwiesen, sind signifikant durch eine geringere Wettbewerbsintensität betroffen. Demgegenüber sind Unternehmen unterdurchschnittlich erfolgreich, die einem hohen Wettbewerbsdruck ausgesetzt sind. Besonders ausgeprägt ist dieser Zusammenhang hinsichtlich der Eigenkapitalrentabilität. In Bezug auf die Eigenkapitalrentabilität wiesen erfolgreiche Unternehmen einen Wettbewerbsindikator von 3,03, weniger erfolgreiche Unternehmen dagegen einen Wettbewerbsindikator von 1,85 auf. Eine gleiche, wenn auch abgeschwächte Tendenz ist in Bezug auf das Umsatzwachstum der kleinen und mittleren Unternehmen festzustellen. Unternehmen mit geringer Wettbewerbsintensität wiesen ein signifikant höheres Umsatzwachstum im Vergleich zu Unternehmen mit hoher Wettbewerbsintensität auf. Ein F-Test auf Mittelwertunterschiede (ANOVA) ergab folgende Ergebnisse: Für die Eigenkapitalrentabilität: n

Mittelwert


8

1,85


35

2,66


36

3,03

Gesamt

79

2,8

n

Mittelwert


8

2,61


35

2,51


36

3,11

Gesamt

79

2,8

d.f.

F-Wert

Signifikanzniveau

2/76

6,233

P= 0,003**

d.f.

F-Wert

Signifikanzniveau

2/76

3,802

P= 0,027*

Für das Umsatzwachstum:

4

Implikationen für das strategische Controlling in mittelständischen Unternehmen

Die Ergebnisse der vorgelegten Studie zeigen, dass der wahrgenommene Wettbewerbsdruck kleiner und mittlerer Unternehmen tatsächlich zum einen branchenspezifisch unterschiedlich ist und dass die Situation in einzelnen

204

Klaus Deimel

Branchen durch unterschiedliche Wettbewerbsfaktoren beeinflusst wird. Zum anderen konnte gezeigt werden, dass auch die Wettbewerbsintensität innerhalb einer Branche durchaus unterschiedlich wahrgenommen wird. Offensichtlich gibt es mittelständische Unternehmen, die sich im Wettbewerb eine eigenständige Position erarbeitet haben, die sie für die Kräfte des Wettbewerbs unempfindlicher machen. Nicht zuletzt konnte auch für mittelständische Unternehmen empirisch gezeigt werden, dass es einen positiven Einfluss der Wettbewerbsintensität auf die Unternehmensperformance gibt. Hieraus kann gefolgert werden, dass es auch für kleine und mittlere Unternehmen sinnvoll ist, ihre jeweilige Wettbewerbspositionierung innerhalb der Branche laufend zu überprüfen und die Einflussfaktoren der Wettbewerbsintensität zu analysieren, um mit geeigneten Strategien darauf zu reagieren. Strategisches Controlling, d.h. der zielgerichtete Einsatz strategischer Planungs- und Kontrollverfahren zur Sicherung von zukünftigen Wettbewerbsvorteilen, gewinnt auch für Unternehmen in dieser Größenklasse zunehmend an Bedeutung (vgl. Liessmann 1997, S. 637). Daher sollten auch kleine, besonders aber mittlere Unternehmen regelmäßig ihre strategische Ausrichtung sowie die Erreichung ihrer langfristigen Unternehmensziele überprüfen. Im Rahmen einer SWOT-Analyse sollten anschließend die Chancen und Risiken, die aus der spezifischen Unternehmensumwelt resultieren, analysiert werden und den Stärken und Schwächen des Unternehmens im Vergleich zum Wettbewerb gegenübergestellt werden (vgl. u.a.: Macharzina 2003; Welge / Al-Laham 2003; MüllerStewens / Lechner 2006). Aus einer solchen Analyse können Erfolg versprechende Strategien auch für mittelständische Unternehmen abgeleitet werden. Dies sollte zur Folge haben, dass sich das einzelne Unternehmen eine spezifische Positionierung und damit eine Alleinstellung auf dem Markt verschaffen können, die ihnen Freiräume im Wettbewerb (Wettbewebrsvorteile) eröffnen. So können mittelständische Unternehmen aufgrund höherer Flexibilität und Marktnähe im Vergleich zu Großunternehmen einerseits häufig Chancen in Marktnischen wesentlich besser nutzen, andererseits sind die in mittelständischen Unternehmen verfügbaren Ressourcen zumeist beschränkt, was eine wirksame Positionierung schwieriger macht (vgl. Welter 2003, S. 238 – 241; Deimel 2004, S. 207 – 230). Als Fazit kann festgehalten werden, dass es auch kleinen und mittleren Unternehmen gelingen kann, für sich Wettbewerbspositionen aufzubauen, die ihnen im Vergleich zur Gesamtbranche und gegenüber anderen Unternehmen der Branche Wettbewerbsvorteile verschaffen können und die daher einer geringeren Wettbewerbsintensität ausgesetzt sind. Diese münden, so die Ergebnisse der Untersuchung, in einer verbesserten Performance mittelständischer Unternehmen. Ein strategisches Controlling erfordert zwar einen erheblichen Ressourceneinsatz, kann aber – sofern richtig durchgeführt und implementiert – eine Chance der Erreichung einer individuellen Wettbewerbsposition und einer verbesserten Profitabilität mittelständischer Unternehmen bieten.


205

Literatur Bain, J.S. (1956): Barriers to New Competition, Cambridge Deimel, K. (2004): Strategieentwicklung in kleinen und mittleren Unternehmen, in.: Praxis des Rechnungswesens, o.Jg., Nr. 3, Gruppe 11, S. 207 – 237. Ernst & Young (Hrsg.) (2005): Mittlestandsbarometer 2005, Der deutsche Mittelstand – Stimmungen, Themen, Perspektiven, o.O. Gruner und Jahr (Hrsg.) (2004): MIND – Mittelstand in Deutschland, Köln. Günterberg, B. / Kayser, G.: SME´S in Germany, in: IFM (Hrsg.) (2004): IFM-Materialien, Nr. 161, Bonn. Institut für Mittelstandsforschung (2005): Neue Mittelstandsdefinition des IFM Bonn: URL: http://www.ifm-bonn.org/dienste/daten.htm. Liessmann, K. (Hrsg.): Gabler Lexikon Controlling und Kostenrechnung, Wiesbaden 1997. Macharzina K. (2003): Unternehmensführung, 4. Aufl., Wiesbaden. Manager Magazin et al. (Hrsg.) (2004): Perspektive Mittelstand, Hamburg. Müller-Stewens, G. / Lechner, C. (2006): Strategisches Management, 3. Aufl. Stuttgart. Pichler, J.H. / Pleitner, H.J. / Schmidt, K.-H. (2000): Management in KMU, 3. Aufl. Stuttgart-Wien. Porter, M.E. (2000): Wettbewerbsvorteile, 6. Aufl., Frankfurt. Schmalensee,R. (1989): Inter-Industry Studies of Structure and Perfomance, in: Schmalensee, R. / Willig, R.D.: Handbook of Industrial Organization, Vol.II, Amsterdam, S. 951 – 1009. Welge, M.K. / Al-Laham, A. (2003): Strategisches Management, 4. Aufl., Wiesbaden. Welter, F. (2003): Strategien, KMU und Umfeld, Berlin. Zu Knypphausen-Aufsess, D. (1995): Theorie der strategischen Unternehmensführung, Wiesbaden.

Cluster in der Gesundheitswirtschaft und deren Vernetzung Bernd Ebel Fachbereich Wirtschaft Rheinbach

1

Vom Gesundheitswesen zur Gesundheitswirtschaft

1.1 Gesundheit – der neue Megamarkt Der Zukunftsforscher Leo A. Nefiodow sieht den Gesundheitsbereich als den neuen Megamarkt des 21. Jahrhunderts, der auf den Basisinnovationen psychosozialer Gesundheit mit den Anwendungen der Biotechnologie und Umwelttechnologien beruhen soll. Er sieht in der Verbesserung der psychosozialen Gesundheit erhebliche Produktivitätsreserven für Wirtschaft und Gesellschaft. Nefiodow beruft sich auf soziochronologische Wellen von mehreren Jahrzehnten Dauer, die der russische Wirtschaftswissenschaftler Nikolai Kondratieff1 entdeckte.

Eigene Darstellung in Anlehnung an Nefiodow / FUNDUS Research

Abb. 1. Kondratieff-Zyklen mit Basisinnovationen und Anwendungsfeldern 1

Kondratieff (1892 bis 1938) war ein russischer Wirtschaftswissenschaftler, der aufgrund seiner Kritik an der Kollektivierung in Russland zum Tode verurteilt wurde.

208

Bernd Ebel

Im kommenden sechsten Kondratieff-Zyklus sollen Innovationen aus Medizin, High Tech und neuen Psychotechniken für Vollbeschäftigung, einen langanhaltenden Aufschwung von Körper, Geist und Seele, sowie für eine tiefgreifende Reorganisierung der Gesellschaft sorgen2. Experten rechnen in der Gesundheitswirtschaft Nordrhein-Westfalens mit einem Arbeitsplatzzuwachs von bis zu 200.000 Arbeitsplätzen in den kommenden acht Jahren auf dann 1,2 Millionen3, das entspricht etwa 15 % der Beschäftigten. Damit kann die Gesundheitswirtschaft zu einem wesentlichen Motor des wirtschaftlichen Aufschwungs werden. Stimmen Wachstum und Qualität, wird die Gesundheitswirtschaft zu einem Standortfaktor erster Güte in den Regionen Nordrhein-Westfalens. Zunehmend bekommen dabei betriebswirtschaftliche Aspekte in den ursprünglich stark medizinisch und ordnungspolitisch bestimmten Bereich eine immer stärkere Bedeutung, woraus sich die Forschungsaktivitäten, die in diesem Beitrag beschrieben werden, ableiten. 1.2 Ursprüngliches Verständnis zum Gesundheitswesen Eine aktuelle Definition lautet4: Gesundheitswesen: System von öffentlichen Einrichtungen und Leistungserbringern, das die Gesundheitsförderung, -erhaltung und -versorgung der Bevölkerung sicherstellt. Zum Gesundheitswesen in Deutschland gehören die ambulante und die stationäre medizinische Versorgung, die Pflege, die Vorsorge- und Rehabilitationsleistungen sowie vorgelagerte Industriezweige. Das Bezugssystem Gesundheitswesen bietet dem einzelnen Menschen in seiner jeweiligen Lebenswelt Möglichkeiten der Prophylaxe, Diagnostik, Therapie und Nachsorge. In der wirtschafts- und beschäftigungspolitischen Debatte der Vergangenheit wurde Gesundheit überwiegend als Kostenfaktor betrachtet, der aufgrund seiner paritätischen Finanzierung die internationale Wettbewerbsfähigkeit des Standorts Deutschland beschränkt. Entsprechend stellte sich die Struktur dieses Bereichs dar. Bestimmt von der Ausgabensicht öffentlicher Leistungserbringer fehlen betriebswirtschaftliche Bezüge aus der Contollingoder Marketingsicht. Ebenso sind Aspekte der Kundenorientierung, der Mitarbeiterintegration und des Qualitätsmanagements weitgehend ausgeklammert worden.

2

Nefiodow LA (2001) Der sechste Kondratieff. Rhein-Sieg, Sankt Augustin.

3

Pressemitteilung zum „Gesundheitskongress des Westens 2008“. 2. und 3. April 2008 in Essen.

4

http://lexikon.meyers.de/meyers/Gesundheitswesen.

Cluster in der Gesundheitswirtschaft und deren Vernetzung

209

1.3 Definition der Gesundheitswirtschaft im modernen Sinn Eine Abkehr dieser Sichtweise wurde durch das Gutachten „Gesundheitswesen in Deutschland: Kostenfaktor und Zukunftsbranche“ des Sachverständigenrats der Konzertierten Aktion im Gesundheitswesen aus dem Jahr 1996 und durch die Landesgesundheitskonferenz NRW mit ihrer Entschließung „Standortfaktor Gesundheitswesen als Beschäftigungsmotor sichern und entwickeln“ im Jahr 1997 eingeleitet. Bekräftigt wurde das in der Erklärung zur 13. Landesgesundheitskonferenz im Dezember 2004 und durch die Erstellung eines Masterplans Gesundheitswirtschaft NRW. Mit diesem Perspektivwechsel wurde der produktive und wertschöpfende Charakter der Gesundheitswirtschaft in den Mittelpunkt gerückt. Bis heute hat allerdings der Begriff Gesundheitswirtschaft noch nicht Einzug in die einschlägigen Lexika gehalten. Auch das statistische Bundesamt kennt in seinem am 5. Mai 2008 erschienenen Gesundheitsbericht5 nur den Begriff Gesundheitswesen und stellt lediglich die Gesundheitsausgaben dar. Erstmalig definiert wurde der Gesundheitswirtschafts-Begriff auf der 1. Nationalen Branchenkonferenz Gesundheitswirtschaft in Rostock im Jahr 2005: „Die Gesundheitswirtschaft umfasst die Erstellung und Vermarktung von Gütern und Dienstleistungen, die der Bewahrung und Wiederherstellung von Gesundheit dienen.“6 Die traditionelle Gliederung der Gesundheitssystemforschung basiert auf der institutionellen Gliederung des Gesundheitswesens, in deren Mittelpunkt die ärztlichen Dienstleistungen stehen. Der erweiterte Gesundheitssystembegriff zielt hingegen auf die Verflechtungen der Gesundheitswirtschaft mit anderen Wirtschaftssektoren. Nunmehr werden neben den Kostenaspekten auch die wirtschaftlichen Chancen der Gesundheitswirtschaft und deren Beitrag zur gesellschaftlichen Wertschöpfung thematisiert. Auch wenn Gesundheit nicht als Ware zu betrachten ist, gesundheitliche Versorgung keine Dienstleistung im herkömmlichen Sinn darstellt und die Bekämpfung von Krankheiten auch zukünftig als Solidarleistung zu verstehen ist, müssen sich die Produkte und Leistungen am Bedürfnis der Menschen ausrichten, wobei Qualität und Transparenz hohe Bedeutung erlangen. Ebenso ist sicher zu stellen, dass Eigeninitiative und Selbstbestimmung der Patienten gefordert und gefördert werden. Dazu sind umfangreiche Informationen und der Aufbau von Kommunikationskanälen notwendig.

5

Gesundheit 2006 Statistisches Bundesamt Wiesbaden (2008).

6

Ergebnisbericht „Nationale Branchenkonferenz Gesundheitswirtschaft 2005“ 07./ 08. Dezember 2005, Rostock-Warnemünde.

210

Bernd Ebel

1.4 Einflussfaktoren für die künftige Entwicklung Entscheidende Einflussfaktoren für die künftige Entwicklung der Gesundheitswirtschaft sind: • Die Individualisierung und Alterung der Gesellschaft, Der demografische Wandel wird den Bedarf und die Nachfrage nach medizinischen, pflegerischen und unterstützenden Leistungen in den nächsten Jahren erheblich steigern. • Der medizinische und medizintechnische Fortschritt, Medizintechnische Innovationen ermöglichen neue Absatzchancen sowie eine Marktausweitung und sichern zudem eine moderne Gesundheitsversorgung und Gesundheitsvorsorge für die Bevölkerung. • Organisatorische Innovationen Organisatorische Innovationen entstehen durch den Trend zu ambulanten und teilstationären Angebotsformen der Diagnose, Therapie und Rehabilitation. Die Einführung integrierter Versorgungsformen basiert auf neuen Kooperationsstrukturen. Insbesondere aber vor dem Hintergrund, dass mehr Qualität, mehr Effektivität und Wirtschaftlichkeit in der Versorgung die Überwindung sektoraler Grenzen erfordern, sind Weiterentwicklungen der Organisationsstrukturen unabdingbar. • Das steigende Gesundheitsbewusstsein und die zunehmende Bereitschaft, private Mittel für Gesundheit und Lebensqualität einzusetzen Unabhängig von der auch in Zukunft solidarisch abzusichernden Behandlung von Krankheit wächst bei den Bürgerinnen und Bürgern die Bereitschaft, vermehrt privat in die eigene Gesundheit zu investieren. Im eigentlichen Kernbereich der Gesundheitswirtschaft geht es daher vorrangig darum, durch innovative Strukturentwicklungen zu mehr Qualität und Wirtschaftlichkeit und durch höhere Patientenorientierung zu mehr Lebensqualität beizutragen. Notwendig ist für den hierzu erforderlichen Qualitätswettbewerb außerdem mehr Transparenz über Leistungsangebote und -qualität. • Zunehmende Notwendigkeit für medizinische Einrichtungen, zusätzliche Finanzierungsquellen zu erschließen Aufgrund der Einnahmenprobleme im Gesundheitswesen ergeben sich zunehmend Schwierigkeiten, finanzielle Mittel sowohl für die Weiterentwicklung der Spitzenmedizin als auch für die flächendeckende Patientenversorgung aus dem System selbst zu generieren. Nur durch privatwirtschaftliches Engagement mit dann eindeutiger Gewinnerzielungsabsicht wird das derzeitige Niveau langfristig zu halten sein.


2

211

Bisherige Clustermodelle in der Gesundheitswirtschaft

Zur wissenschaftlichen Einordnung der Marktteilnehmer in der Gesundheitswirtschaft kann die Beschreibung von Clustermodellen dienen. Dabei ist ein Cluster ein „regionales Netzwerk von Unternehmen einer Branche, die eng mit Zulieferern, Universitäten, Forschungs- und Bildungseinrichtungen sowie öffentlichen Institutionen zusammenarbeiten.7 Die Rahmenbedingungen in den einzelnen „Segmenten“ der Gesundheitswirtschaft sind sehr heterogen. Vor allem den Kernbereich, das bisherige „Gesundheitswesen“, unterscheidet von der Entwicklung anderer Märkte, dass Gesundheit ein ganz besonderes Gut, öffentlich und privat zugleich ist. Die medizinisch notwendigen Leistungen zur Verhütung, Früherkennung und Behandlung von Krankheiten sind solidarisch abgesichert. Alle Einflussnahmen und Veränderungen haben Auswirkungen sowohl auf der individuellen Ebene als auch auf der gesamtgesellschaftlichen Ebene und haben nicht zuletzt auch ökonomische Auswirkungen. Um die Bereitstellung der notwendigen Infrastruktur in diesem zum großen Teil regulierten Bereich kümmern sich qua Gesetz vorgesehene Institutionen, wie Krankenkassen, Apothekerkammern, Kassen(zahn)ärztliche Vereinigungen, Krankenhausgesellschaften usw. Gesundheitsregionen der Zukunft sollen zusätzliche Innovationspotenziale entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Gesundheitswirtschaft heben. Aus diesem Ansatz ist das „Zwiebelmodell der Gesundheitswirtschaft“ entwickelt worden8. • Den Kernbereich der ambulanten und stationären Gesundheitsversorgung mit den personal- und beschäftigungsintensiven Dienstleistungsbereichen der Krankenhäuser, Vorsorge- und Rehabilitationseinrichtungen, den freien Arztpraxen, den Praxen nicht-ärztlicher medizinischer Berufe, Apotheken sowie den stationären, teilstationären und ambulanten Pflegeeinrichtungen; • Vorleistungs- und Zulieferindustrien, die die sog. Health Care Industries (Pharmazeutische Industrie, Medizin- und Gerontotechnik, Biound Gentechnologie), das Gesundheitshandwerk sowie den Groß- und Facheinzelhandel mit medizinischen und orthopädischen Produkten umfassen; • Nachbarbranchen und Randbereiche des Gesundheitswesens, die die Kernbereiche der Gesundheitswirtschaft mit den Angeboten aus anderen Bereichen des Dienstleistungssektors (Gesundheitstourismus, Wellness oder gesundheitsbezogene Sport- und Freizeitangebote, Wohnen) wie 7

http://lexikon.meyers.de/meyers/Cluster.

8

Hilbert J. et al, Rahmenbedingungen und Herausforderungen der Gesundheitswirtschaft, Gelsenkirchen, Juli 2002.

212

Bernd Ebel

des Produzierenden Gewerbes (Informations- und Kommunikationstechnologien, neue Werkstoffe, Analysetechnik) verknüpfen. Die Sichtweise des Zwiebelmodells mit dem Kern der direkten medizinischen Leistung ist nach Meinung des Verfassers zu einseitig ausgerichtet und vernachlässigt die Bedeutung des eigentlichen zentralen Objekts der Gesundheitswirtschaft – nämlich den Patienten oder Nutzer der Produkte und Leistungen. Ebenso wie beim Modell der Gesundheitswirtschaft als Wertschöpfungskette beginnend bei Vor- und Zulieferbetrieben über die Kernbereiche zu den Synergiebereichen kommt dem eigentlichen Nutzer des Systems, dem Bürger, eine zu geringe Bedeutung zu. Außerdem wird auf die gegenseitige Beeinflussung der Marktteilnehmer nicht ausreichend eingegangen, da in der Regel keine Versorgungsketten sondern Bedarfs-Netzwerke existieren.

3

Neue Sichtweise auf Cluster in der Gesundheitswirtschaft

In diesem hier vorgestellten Clustermodell der Gesundheitswirtschaft soll erstmalig nicht die zentrale Rolle der ambulanten und stationären medizinischen Versorgung oder die Wertschöpfungskette der Leistungserbringer in der Gesundheitswirtschaft Ausgangspunkt der Einordnung sein, sondern der Mensch soll als Nutzer und Patient des Systems im Mittelpunkt stehen. 3.1 Identifikation der Marktteilnehmer Die Erstellung von Gesundheitsdienstleistungen erfolgt in einem differenzierten arbeitsteiligen System. Im Rahmen des Diagnose- und Behandlungsprozesses kommen Patienten mit verschiedenen Institutionen in Kontakt. Dies ist neben der Notwendigkeit einer stärkeren Koordination und Vernetzung der Dienstleistungsanbieter in der Gesundheitswirtschaft aus Effizienz- und Kostengründen heraus ein wichtiger Grund zur Erhöhung der Behandlungsqualität und damit zur Steigerung der Patientenzufriedenheit. 3.2 Bedeutung und Ausprägungsformen von Netzwerken Unter einem Netzwerk wird der Zusammenschluss verschiedener Institutionen verstanden, die sich im Rahmen von Kooperationsvereinbarungen zu einer Zusammenarbeit verpflichten, um Effektivitäts- und Effizienzgewinne durch erhöhte Koordination zu erlangen. Dabei handelt es sich um rechtlich und wirtschaftlich unabhängige Unternehmen, die je nach Schwerpunkten horizontal (gleiche Wertschöpfungsstufe), vertikal (im Sinne einer Wertschöpfungskette) oder lateral (als unterstützende Leistung) organisiert sind. Ein Beispiel für den Bereich der integrierten Versorgung kann wie folgt aussehen:


213

Abb. 2. Netzwerkstruktur am Beispiel der integrierten Versorgung, entnommen aus Master Thesis Lingscheidt9

Als Nutzen eines Netzwerks ist anzusehen: • Auf- und Ausbau nachhaltiger Kooperationsstrukturen • Optimierung der Wertschöpfungskette z.B. im Zulieferbereich • Möglichkeit zur Teilnahme an Workshops und Arbeitskreisen • Vermarktung des Wirkungsgebiets als Gesundheitsregion • Erfahrungsaustausch, Förderung von Lernprozessen • Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Gesundheitsstrukturen • höhere Innovationsfreude / Schwerpunktbildung • Erhöhung des Bekanntheitsgrades In den letzten Jahren haben viele Einrichtungen der Gesundheitswirtschaft diesen Weg mehr oder weniger professionell beschritten. Ein an der FH BonnRhein-Sieg gestartetes Projekt soll den derzeitigen Stand in der Netzwerkbildung aufnehmen, eine Klassifizierung vorgefundener Netzwerke durchführen und strategische Erfolgspositionen für eine Nutzen bringende Vorgehensweise zur Bildung zukunftsorientierter Vernetzungen herausarbeiten. Das Projekt wird gemeinsam mit den IHKs, den Wirtschaftsförderungen der Kommunen und weiteren Beteiligten aus der Gesundheitswirtschaft in der Region Köln / Bonn durchgeführt.

9

Lingscheidt M (2005) Erfolgsfaktoren für die Etablierung gesundheitswirtschaftlicher Netzwerke mit dem Ziel einer interdisziplinären Versorgung von Patienten.

214

Bernd Ebel

3.3 Das neue Clustermodell Aus den bisher geschilderten Überlegungen heraus wird derzeit ein neues Clustermodell entwickelt, dessen Grundlagen die Aspekte der Kundenorientierung und der Vernetzung zum Wohle des Einzelnen und der beteiligten Organisationen darstellen.

Abb. 3. Clustermodell der Gesundheitswirtschaft mit dem Menschen im Mittelpunkt

Die Clusterelemente sind dabei: • Unterstützer Die Basis für die nachhaltige Gesundheit des Menschen stellen die in Eigenregie oder als Folge von Gesundheitsprogrammen in Anspruch genommenen Leistungen von „Unterstützern“ dar. Hierzu gehört die Prävention, Aufklärung, Beratung und Selbsthilfe sowie Angebote in Sport, Freizeit, Wohnen und im touristischen Bereich. • Medizinische Einrichtungen Ist eine Störung des optimalen Gesundheitszustands vorhanden, dann werden die Leistungen der medizinischen Einrichtungen in Anspruch genommen. Das sind die in den verbreiteten „Zwiebelmodellen“ zentral angeordneten Bereiche der medizinischen Versorgung wie Kliniken, Krankenhäuser, Reha-Einrichtungen, ärztliche und weitere medizinische Praxen sowie Pflegeeinrichtungen und soziale Dienste. • Leistungsanbieter Zur Herstellung oder zum Aufrechterhalten der Gesundheit stehen Leistungsanbieter zur Verfügung in Form von Apotheken, Einzelhändler für Gesundheitsprodukte, Anbieter von Wellnessleistungen sowie das gesamte Kur- und Bäderwesen.


215

• Gesundheitsprodukte Die bei der Durchführung der Gesundheitsleistungen benötigten Produkte, Verfahren und Leistungen werden – teilweise durch Handelsmittler – von Anbietern zur Verfügung gestellt wie Produzenten von Arzneien, Heilmittel und weitere Verbrauchs- bzw. Investitionsgüter. Durch Forschung und Entwicklung in Unternehmen, an Instituten und an Hochschulen wird die Innovation sichergestellt und eine permanente Verbesserung und Weiterentwicklung von Produkten und Leistungen erreicht. • Gesundheitsbegleiter Sowohl Einrichtungen der öffentlichen Hand als auch privatwirtschaftlich getragene Organisationen, Interessenverbände, Vereinigungen und Versicherungen begleiten den Menschen bei Prävention, Kuration und Rehabilitation. Hinzu kommen Einrichtungen zur Informationsbereitstellungen sowie zur Aus- und Weiterbildung wie Schulen, Hochschulen, Institute und Verlage.

4

Beziehungen zwischen den Clustern – Gesundheitsnetzwerke

In der Vergangenheit haben sich eine Reihe von Kooperationen und Netzwerken gebildet, die gegenseitige Synergien nutzen wollen. Allerdings ist dies bisher mehr zufällig oder spontan aufgrund einzelner Initiativen geschehen. Nachdem die derzeit an der FH Bonn-Rhein-Sieg laufende Studie zur Ermittlung der Netzwerkbeziehungen abgeschlossen ist, sollen aufbauend auf der gefundenen Ist-Situation gezielt neue Verbindungen geschaffen oder bisher nur lose Kontakte intensiviert werden. In den einzelnen Regionen existieren bereits Ansätze der gemeinsamen Gestaltung des Marktes der Gesundheitswirtschaft. So positioniert sich die Gesundheitsregion Bonn bereits durch Vernetzungen wie „bonn medical partner“ zur Vermarktung im arabischen und russischen Raum oder das „Bonner Gesundheitsnetz“ mit Schwerpunkt in der Telematik im Gesundheitswesen. Das regelmäßig abgehaltene „Bonner Gesundheitsforum“ beschäftigt sich mit wechselnden Schwerpunktthemen der Gesundheitswirtschaft. Initiativen zur Einwerbung ausländischer Patienten werden von der FH Bonn-Rhein-Sieg angestoßen. Im „Netzwerk Patientenberatung NRW, Modellkommune Bonn“ werden Informationen und Beratungsmöglichkeiten zu gesundheitlichen Fragestellungen angeboten. Im Jahre 2005 wurde die AG Gesundheitswirtschaft in der Stadt Bonn ins Leben gerufen, 2008 folgte die gemeinsame Initiative der IHKn Köln und Bonn / Rhein-Sieg zur Gründung des Arbeitskreises Gesundheitswirtschaft für die Region Köln / Bonn. Ziele der Aktivitäten sind die Bildung einer Kommunikationsplattform, die Vermarktung des Gesundheitsstandorts, Erschließung von Wachstumspotenzialen und Möglichkeiten des Technologietransfers.

216

5

Bernd Ebel

Ausblick und weitere Forschungsgebiete – der Marketingaspekt

Innerhalb des Gesundheitsbereichs, der sich zunehmend marktwirtschaftlich und kundenorientiert entwickelt, wird das Marketing ein zunehmend wichtigeres Managementkonzept zur Gestaltung und Steuerung der Marktbeziehungen. Auch aufgrund der ständigen Änderungen im Bereich des Gesundheitswesens sehen die Marktteilnehmer einen immer stärker werdenden Wettbewerb entgegen. Um in diesem Konkurrenzkampf zu bestehen und die eigene Existenz zu sichern, bedarf es der Entwicklung und Umsetzung einer erfolgreichen Marketingkonzeption. Dabei ist Gesundheitsmarketing ein Managementkonzept zur Planung, Koordination und Kontrolle aller marktbezogener Aktivitäten. Es wendet die erprobten Marketingmethoden und ‐techniken der Steuerung von Marktbeziehungen in Form einer ganzheitlichen Betrachtung auf die Gesundheitswirtschaft an. In der Gesundheitslehre steht der Patient als Mitproduzent der medizinischen Leistungen im Mittelpunkt der Austauschbeziehungen. Aufgabe des Marketing ist es daher, die Qualität der Leistungen auf die Bedürfnisse, Erwartungen und Ansprüche der Kunden und Patienten auszurichten. Somit müssen die Unternehmen der Gesundheitsindustrie die besonderen Interessen, Erwartungen und Einstellungen der Beteiligten am Gesundheitsmarkt berücksichtigen bzw. die Kontakte zu den Marktpartnern aktiv und bewusst gestalten. Hilfestellung zur Bewältigung dieser Aufgaben kann das zuvor dargestellte neue Clustermodell mit dem Fokus auf den Patienten bieten. Im Fall der Gesundheitswirtschaft besteht der Vorteil darin, dass über den Weg der Vernetzung Versorgungseinrichtungen für die Patientin und den Patienten mit privatwirtschaftlich orientierten Unternehmen zusammen arbeiten können, um in einem ursprünglich ausschließlich an der Versorgung der regionalen Bevölkerung orientierten Gesundheitswesen auch eine Basis entwickeln können, die über die Region hinausstrahlt. Derartige Partnerschaften können mehr Qualität in der gesundheitlichen Versorgung und zugleich Wachstum und qualifizierte Arbeitsplätze fördern.

Literatur Ergebnisbericht „Nationale Branchenkonferenz Gesundheitswirtschaft 2005“ 07./08. Dezember 2005, Rostock-Warnemünde Gesundheit 2006 Statistisches Bundesamt Wiesbaden (2008) Hilbert J. et al, Rahmenbedingungen und Herausforderungen der Gesundheitswirtschaft, Gelsenkirchen, Juli 2002


217

Lingscheidt M (2005) Erfolgsfaktoren für die Etablierung gesundheitswirtschaftlicher Netzwerke mit dem Ziel einer interdisziplinären Versorgung von Patienten Nefiodow LA (2001) Der sechste Kondratieff. Rhein-Sieg, Sankt Augustin Pressemitteilung zum „Gesundheitskongress des Westens 2008“. 2. und 3. April 2008 in Essen

Managementkonzepte und Managementmoden Promotoren, Potenziale und Verbreitung Dietmar Fink1 und Bianka Knoblach2 1

Fachbereich Wirtschaft Rheinbach

2

WGMB Wissenschaftliche Gesellschaft für Management und Beratung

1

Einführung

Viele Managementkonzepte, die heute zu den „Klassikern“ der Unternehmensführung zählen, wurden ursprünglich von Unternehmensberatern entwickelt, um innovative Lösungsmöglichkeiten für operative und vor allem strategische Managementprobleme aufzuzeigen. Nicht selten prägten ihre Ideen das betriebswirtschaftliche Leitbild einer ganzen Epoche. So revolutionierte beispielsweise das Portfoliokonzept der Boston Consulting Group Anfang der siebziger Jahre das Denken und Handeln vieler Führungskräfte – heute zählt es zum Basisrepertoire eines jeden strategischen Planers oder Controllers. Seit dieser Zeit wurden von den großen Beratungsunternehmen viele neue Ideen entwickelt. Und wenn die „Erfolgsquote“ so manch eines Konzeptes auch in Frage stehen mag – Michael Hammer und James Champy beispielsweise, die Protagonisten des Business Process Reengineering, sprechen selbst davon, dass 70 bis 80 Prozent entsprechender Projekte scheitern (vgl. Straub / Forchhammer 1995, S. 9) – neigen nicht wenige Führungskräfte dazu, immer wieder hohe Summen in die Umsetzung der gerade aktuellen Konzepte zu investieren. So werden die Ideen der Berater auch in Zukunft die allgemeine Anschauung, wie Managementprobleme zu lösen sind, nachhaltig beeinflussen. Denn Berater sind nicht nur Problemlöser, sie sind zugleich auch Sinnstifter: „Sie entfachen – vor allem über Bestseller, Artikel in Managementzeitschriften, Seminare und Kongresse unter Einsatz einer höchst wirkungsvollen Rhetorik – Diskurse, in denen `Managementphilosophien´, neues Denken und neue Managementprinzipien verbreitet werden.“ (Kieser 1998, S. 206; vgl. auch Kieser 1996). Üblicherweise werden diese Diskurse in einer mehr oder weniger offenen Koalition großer Beratungsfirmen mit anderen Akteuren initiiert und vorange-

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Dietmar Fink und Bianka Knoblach

trieben, um potenzielle Klienten für entsprechende Beratungsleistungen zugänglich zu machen. Zu den jeweiligen Promotorengemeinschaften zählen neben den Beratern vor allem Buchverlage, Wirtschaftsmagazine, Seminarveranstalter, staatliche Stellen mit Förderprogrammen und dergleichen. Sie alle verfolgen mit der gemeinsamen Verbreitung eines Managementkonzepts ihre individuellen Ziele, wie beispielsweise Gewinn, Ansehen, Einfluss oder Karriere (vgl. Kieser 1996, S. 23). Ist ein Diskurs erfolgreich, stimmen in der Regel sehr schnell weitere Berater in die Verbreitung der zugrundeliegenden Ideen ein, um ebenfalls von dem entstehenden Beratungsmarkt zu profitieren. In der Konsequenz resultiert ein sich mehr und mehr aufschaukelnder Prozess: Je bereitwilliger ein Diskurs von potenziellen Klienten aufgegriffen wird, desto mehr Berater beteiligen sich an ihm. Je mehr Berater sich beteiligen, desto vehementer werden die Ideen in den Markt getragen und desto schwieriger ist es für potenzielle Klienten, sich dem Diskurs zu entziehen – beziehungsweise desto bereitwilliger werden sie sich ihm öffnen. Woran liegt es nun aber, dass sich Führungskräfte – die potenziellen Klienten also – überhaupt auf entsprechende Diskurse einlassen und als Folge dieser häufig zu Beratungsaufträgen in bemerkenswertem Umfang bereit sind? Die Gründe hierfür sind vielschichtig. Zunächst ist davon auszugehen, dass sie ein naheliegendes Bedürfnis verspüren, die Wettbewerbsposition des von ihnen geführten Unternehmens zu stärken. In Anbetracht der zunehmenden Komplexität, Intransparenz und Dynamik der meisten Märkte sehen sich viele von ihnen jedoch mehr und mehr mit unklaren und unstrukturierten Situationen konfrontiert, in denen der Weg zu einer starken Position alles andere als klar vorgezeichnet ist. In einem solch mehrdeutigen Kontext können Managementkonzepte – zumindest vordergründig – Orientierung liefern. Sie sind in der Regel gut strukturiert, ihr Nutzen wird von ihren Protagonisten anhand zahlreicher Praxisbeispiele und Erfahrungsberichte erfolgreicher Unternehmen dokumentiert – sie sind sozusagen „pre-legitimiert“ (vgl. McKinley / Mone / Barker 1997, S. 13) – und sie erlauben ein schnelles, zielgerichtetes Handeln. Dies ermöglicht es einer Führungskraft, die Komplexität ihrer Entscheidungssituation zu reduzieren, indem sie sich nicht länger an der Realität ihres Unternehmens und seiner Umsysteme, sondern an dem von ihr wahrgenommenen wettbewerbsstrategischen Potenzial eines bestimmten Managementkonzepts orientiert. Wird dieses als hinreichend empfunden, erfolgt – so gut dies geht – eine Anpassung des Konzepts auf die eigene Situation. Im Folgenden wird ein Erklärungsmodell vorgestellt, das dazu geeignet ist, Managementkonzepte zu systematisieren und zu klassifizieren. Als wesentliche Determinanten werden dabei das wettbewerbsstrategische Potenzial eines Konzepts und sein Verbreitungsgrad betrachtet. Im Rahmen einer empirischen Studie wurden die methodischen Grundlagen exemplarisch auf zehn Manage-

Managementkonzepte und Managementmoden

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mentkonzepte angewendet: Business Process Reengineering, Total Quality Management, Wissensmanagement, Customer Relationship Management, Lean Management, Kernkompetenzen-Management, Shareholder Value Management, Wachstumsstrategien, E-Commerce sowie Virtuelle Unternehmen. Die Selektion der hierzu befragten Unternehmen erfolgte auf der Grundlage der Adressdatenbank der Firma Hoppenstedt und wurde in den Branchen Banken und Versicherungen, Konsumgüter, Chemie und Pharmazie, TIME (Telekommunikation, Informationssysteme, Medien, Elektronik) sowie Maschinen-, Anlagen- und Fahrzeugbau nach dem Zufallsprinzip durchgeführt. Insgesamt wurden auf diese Weise 2.700 Unternehmen ausgewählt. Als Adressaten wurden Mitglieder des Vorstands beziehungsweise der Geschäftsleitung angeschrieben, von denen sich 241 an der Befragung beteiligten. Dies entspricht einer branchenübergreifenden Rücklaufquote von 8,9 Prozent. Die Datenerhebung selbst erfolgte mit Hilfe eines standardisierten Fragebogens.

2

Das wettbewerbsstrategische Potenzial von Managementkonzepten

Ob ein Unternehmen durch den Einsatz eines bestimmten Managementkonzepts tatsächlich seine Wettbewerbsposition verbessern kann, ist aufgrund vielschichtiger Wirkungszusammenhänge auch im Nachhinein nur schwer zu ermitteln. Häufig wird eine entsprechende Prüfung in der Unternehmenspraxis allerdings auch gar nicht gefordert. Viele Managementkonzepte gelten – zumindest für eine bestimmte Zeit – als über alle Zweifel erhabene „Best Practice“, das Unternehmen, das sie einsetzt, als fortschrittlich geführt (vgl. Kieser 1998, S. 202 f.). Legt man jedoch einen ökonomischen Maßstab an, dann muss sich auch die Umsetzung eines Managementkonzepts letztendlich am Kriterium eines Kosten / Nutzen-Kalküls messen lassen. Das heißt, sie muss sich zumindest langfristig wirtschaftlich auszahlen und somit positiv in der Rentabilität eines Unternehmens niederschlagen. Wie bei allen Führungsentscheidungen ergibt sich jedoch auch hier die grundsätzliche Problematik der Messung der ökonomischen Effizienz. Dies lässt sich wie folgt veranschaulichen: Im Grundsatz entspricht die Entscheidung eines Unternehmens, ein bestimmtes Managementkonzept zu verfolgen, einer Investition in die Umsetzung der propagierten Ideen und Leitgedanken. Die Anfangsauszahlung einer solchen „Managementinvestition“ muss dabei durch die abgezinsten zukünftigen Einzahlungsüberschüsse, die aus der Umsetzung des Konzepts resultieren, überkompensiert werden, soll sie die Anforderung der ökonomischen Effizienz erfüllen. Während die Anfangsauszahlung für die Einführung eines Managementkonzepts und auch zukünftige Auszahlungen zumindest in gewissen Grenzen abschätzbar sind, besteht auf der Einzahlungsseite ein fundamentales Zurechnungsproblem: Selbst wenn bezogen auf das Gesamt-

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unternehmen eine exakte Messung aller zukünftigen Einzahlungen möglich wäre, so ließe sich der Beitrag, der auf die Umsetzung eines bestimmten Managementkonzepts zurückzuführen ist, aufgrund von Entscheidungsinterdependenzen und Kontexteinflüssen nicht exakt isolieren. Dies sei an einem Beispiel verdeutlicht: Entscheidet sich das Management eines Unternehmens für ein Business Process Reengineering, dann ist es – auch im Nachhinein – nicht möglich festzustellen, ob eine Umsatzsteigerung (ökonomische Erfolgsgröße) auf eine verbesserte Ausrichtung der Geschäftsprozesse auf den Markt (Einzelentscheidung), auf die zeitgleiche Erhöhung des Marketingbudgets (Entscheidungsinterdependenz) oder aber auf ein exogenes Nachfragewachstum (Kontexteinfluss) zurückzuführen ist, beziehungsweise in welchem Ausmaß die einzelnen Komponenten dazu beigetragen haben. Die beschriebene Isolations- und Messproblematik macht es erforderlich, qualitative Ersatzmaßstäbe zu definieren, anhand derer die Vorteilhaftigkeit der Umsetzung eines Managementkonzepts bewertet werden kann. Solche Kriterien zur Beurteilung komplexer Entscheidungstatbestände werden auch als Effizienzkriterien bezeichnet. Ihre Entwicklung basiert auf einer vermuteten Mittel / Zweck-Beziehung zu den ökonomischen Zielen eines Unternehmens und zielt darauf ab, letztendlich eine Optimierung ökonomischer Erfolgsgrößen zu bewirken. Bei der Formulierung entsprechender Kriterien ist zu beachten, dass die Beziehung zwischen einem Managementkonzept als gedanklichem Konstrukt und den real-ökonomischen Konsequenzen seiner Umsetzung nie durch ein zwangsläufiges, unbedingtes Verhältnis gekennzeichnet ist, sondern durch einen potenziellen, bedingten Wirkungszusammenhang. Managementkonzepte eröffnen einem Unternehmen Handlungsmöglichkeiten, sie bergen ein methodisches Gestaltungspotenzial, das, in Abhängigkeit der konkreten Kontextbedingungen, denen sich das Management des Unternehmen gegenübersieht, erschlossen oder verworfen werden kann. Hieraus lassen sich drei prinzipielle Anforderungen an die Definition entsprechender Effizienzkriterien ableiten: • Zum einen können die zur Bewertung herangezogenen Kriterien nicht als allgemeingültige, absolute Größen, sondern lediglich als Potenzialdimensionen formuliert werden, die an der konkreten Situation eines Unternehmens und seiner Umsysteme relativiert werden müssen. Die einzelnen Dimensionen kennzeichnen dabei verschiedene Ausprägungen eines grundsätzlich vorhandenen methodischen Potenzials, das jedoch nur dann wirksam wird, wenn es ein Unternehmen in einer bestimmten Situation als vorteilhaft erachtet, die prinzipiellen, gedanklichplanerischen Möglichkeiten eines Konzepts tatsächlich wirtschaftlich umzusetzen und zu nutzen. Das Vorhandensein entsprechender Potenziale bildet somit eine notwendige, nicht aber eine hinreichende Bedingung für eine Verbesserung der Wettbewerbsposition.


223

• Zum zweiten müssen die Effizienzkriterien aus den möglichen Kontextbedingungen abgeleitet werden, denen sich ein Unternehmen gegenübersehen kann (vgl. Link 1993, S. 1121; Link / Hildebrand 1993, S. 12 ff.). Soll die Eignung verschiedener Managementkonzepte zur Verbesserung der Wettbewerbsposition eines Unternehmens analysiert werden, erscheint es zweckmäßig, den Wettbewerbskontext, in dem ein Unternehmen am Markt agiert, in den Vordergrund der Betrachtung zu stellen. In Anlehnung an die von Porter (1997; 1999) entwickelten Systematik lassen sich zwei grundlegende Potenzialdimensionen definieren: ihr Differenzierungs- und ihr Kostenführerschaftspotenzial. Während ersteres das Potenzial eines Managementkonzepts beschreibt, um sich von der Konkurrenz durch ein überlegenes Angebot positiv abzusetzen, umfasst letzteres sein Potenzial zur Erschließung von Kostenvorsprüngen. • Zum dritten müssen die Effizienzkriterien als subjektiv wahrgenommene Potenzialdimensionen formuliert und bewertet werden. Oben ist bereits deutlich geworden, dass die Frage, ob ein Unternehmen durch die Verfolgung eines bestimmten Konzepts seine Wettbewerbsposition tatsächlich verbessern kann, aufgrund der vielschichtigen Wirkungszusammenhänge selbst im Nachhinein kaum zu beantworten ist. Das Management eines Unternehmens orientiert sich, um die Komplexität seiner Entscheidungssituation zu reduzieren, somit zwangsläufig nicht am – weil nicht oder nur zu prohibitiven Kosten zu ermittelnden – objektiv vorhandenen Wettbewerbspotenzial eines Konzepts, sondern an den subjektiv wahrgenommenen Differenzierungs- und Kostenführerschaftspotenzialen. Als wahrnehmungsbildendes Instrument dienen hierbei insbesondere die eingangs beschriebenen Diskurse. Zusammenfassend können zwei prinzipielle Effizienzkriterien zur Beurteilung von Managementkonzepten herangezogen werden: das wahrgenommene Differenzierungspotenzial (DP) und das wahrgenommene Kostenführerschaftspotenzial (KP). Der Beitrag, den unterschiedliche Managementkonzepte zur Verfolgung der jeweils zugrundeliegenden Wettbewerbsstrategie leisten können, ist dabei keinesfalls einheitlich. Vielmehr eignen sich bestimmte Konzepte in stärkerem Maße zur Differenzierung, andere zur Kostensenkung. Die beiden separaten Potenzialdimensionen müssen somit zu einem aggregierten Wert des gesamten wahrgenommenen wettbewerbsstrategischen Potenzials (WP) verknüpft werden. In Abhängigkeit der konkreten Wettbewerbssituation auf einem Markt kann den beiden Dimensionen dabei eine ganz unterschiedliche Bedeutung zukommen. Es gilt also nicht nur, das wahrgenommene wettbewerbsstrategische Potenzial, sondern auch dessen wahrgenommene kontextbezogene Relevanz zu berücksichtigen. Dieser wird durch einen differenzierungs- (GDP) und einen kostenführerschaftsspezifischen (GKP) Gewichtungsfaktor Rechnung getragen, in denen die relative Bedeutung der beiden Potenzialdimensionen zum Ausdruck kommt:

224


WP = DP × GDP + KP × GKP

(1)

wobei gilt: 0 ≤ GDP ≤ 1 ; 0 ≤ GKP ≤ 1 ; GDP + GKP = 1 Im Rahmen der eingangs beschriebenen empirischen Erhebung erfolgte die Bewertung des Differenzierungs- und des Kostenführerschaftspotenzials der betrachteten Managementkonzepte anhand einer fünfstufigen Ratingskala mit den Polen „hoch“ und „gering“. Den einzelnen Stufen der Skala wurden zur Datenanalyse die Werte „100“ (als numerisches Äquivalent der Bewertung „gering“) bis „500“ (als numerisches Äquivalent der Bewertung „hoch“) zugeordnet. Wenngleich es sich bei Ratingskalen, solange die Annahme gleicher Skalenabschnitte nicht bestätigt ist, prinzipiell um Ordinalskalen handelt, wurde im Rahmen der Datenauswertung und -interpretation ein Verhältniskalenniveau unterstellt. Die rangskalierte Variable wird in diesem Sinne als unscharfe Messung einer fiktiven metrischen Skala interpretiert (vgl. hierzu auch Benninghaus 1998, S. 53 ff.; Roth 1993, S. 411 ff.).

3

Der Verbreitungsgrad von Managementkonzepten

Neben dem wahrgenommenen wettbewerbsstrategischen Potenzial eines Managementkonzepts ist es vor allem sein Verbreitungsgrad, der seine Attraktivität aus der Sicht eines potenziellen Anwenders bestimmt. Hierunter soll im Folgenden der prozentuale Anteil der Unternehmen in der relevanten Grundgesamtheit – z.B. einer Branche, einer Region etc. – verstanden werden, der die Ziele, Normen und Methoden verfolgt, die dem Leitbild eines bestimmten Managementkonzepts entspringen. Die Verbreitung eines Konzepts folgt dabei häufig den gleichen Mustern, wie sie auch für Moden typisch sind: „Ähnlich wie in der Modebranche zeigen sie [die Berater] immer neue Strategien im veränderten Look, maßgeschneiderte IT-Lösungen oder innovative Managementkonzepte, die der letzte Schrei sind. Doch nur wenige Jahre später sind die Modelle ebenso òut´ wie die Kollektionen des vergangenen Sommers.“ (Heinisch 2001, S. B1). Die Analogie zur Mode weist dabei vielfältige Züge auf. So stellt beispielsweise der Philosoph Boris Groys für die Mode im allgemeinen fest, dass, wenn sich alle betrachteten Subjekte nur partiell voneinander unterscheiden, die Mode diese scheinbare Gleichheit verletzt, indem sie irgendeinen Unterschied aus all den partiellen Unterschieden als wesentlicher und wertvoller heraushebt (vgl. Groys 1999, S. 46). In gleicher Weise werden in verschiedenen Managementkonzepten – auch wenn sie sich inhaltlich in weiten Teilen oft sehr ähneln – verschiedene spezifische Aspekte als wesentlich betont: etwa die Konzentration auf bestimmte Fähigkeiten und Ressourcen (Kernkompetenzen) oder die Auslagerung solcher Fähigkeiten und Ressourcen, die man am Markt in besserer Qualität oder zu geringeren Kosten beziehen kann (Business Process


225

Outsourcing). Indem diese Aspekte in den oben beschriebenen Diskursen besonders akzentuiert und so zum konstitutiven Charakteristikum eines Konzepts erhoben werden, entfalten sie die gleiche Wirkung, wie sie bei modischen Trends zu beobachten sind: Sie schaffen neue, zeitlich begrenzte soziale Codes, bestimmte Verhaltensmuster und einen ihnen entsprechenden Gruppenkonformismus. Auf diese Weise ermöglichen sie eine gesellschaftliche Elitehaltung, eine Werthierarchie und ein System von Kriterien, deren Geltung im Rahmen einer bestimmten Gruppe anerkannt ist. Führungskräfte, die sich auf entsprechende Moden einlassen, verfolgen in der Regel zwei Ziele zugleich: das Management des von ihnen geführten Unternehmens und das Management der eigenen Karriere (vgl. Watson 1994). Denn nicht nur „moderne“ Managementkonzepte gelten häufig für eine bestimmte Zeit als über alle Zweifel erhaben, auch das Management, das sie einsetzt, gilt als führungsstark, fortschrittlich und kompetent (vgl. Kieser 1998, S. 202). Mit der Zeit lässt diese positive Spannung jedoch nach, der innovative Charakter eines Managementkonzepts wird archiviert und valorisiert, die Wertgrenzen verschieben sich – und die nächste Managementmode wird fällig. Der Wechsel von Mode zu Mode beziehungsweise von Konzepts zu Konzept ist dabei eher durch Revolution denn durch Evolution geprägt. Die in neuen Managementkonzepten propagierten Leitbilder bauen zumeist nicht auf denen ihrer Vorgänger auf, sie versuchen vielmehr, diese zu ersetzen, sie abzusetzen. So dramatisieren neue Konzepte nicht selten die sich abzeichnenden Problemfelder ihres Vorgängers, heben diese mit Nachdruck heraus, um die bislang gültige Kernthese selbst diametral zu drehen, so dass eine entsprechende Gegenmode entspringt: Auf Dezentralisation folgt Zentralisation, auf eine Periode der Innenorientierung der Blick nach Außen, auf Lean Management eine Welle des Wachstums und der Integration. Diese Gegenläufigkeit der vertretenen Ideen und Leitbilder bleibt häufig jedoch vordergründig: Nicht selten werden gerade solche Konzepte als neu vermarktet, in die die Promotorengemeinschaft aus Wirtschaftspresse, Autoren und Beratern ihre bestehenden, im Rahmen der vorangegangenen Managementmode(n) erworbenen Fertigkeiten besonders gut einbringen kann. Die Verbreitung von Moden kann im Zeitablauf allgemein als Glockenkurve beschrieben werden (vgl. auch Kieser 1996, S. 22): Den frühen Pionieren, die eine neue Modeströmung aufgreifen, folgen mehr und mehr Nachahmer, bis die Mode schließlich abgegriffen ist und eine Neuorientierung erfolgt. Überträgt man dies auf Managementkonzepte, so durchlaufen auch diese, ähnlich wie Produkte oder Branchen, einen Lebenszyklus. Idealtypisch kann dieser durch vier Phasen beschrieben werden: Thematisierung, Expansion, Dominanz und Dethematisierung (vgl. Fink / Knoblach 2002, S. 27 f.; Fink / Knoblach 2003, S. 241 f.). In der Thematisierungsphase werden die ersten Diskurse zu einem neuen Konzept initiiert, die ersten Koalitionen aus Autoren, Beratern und anderen

226


Promotoren bilden sich heraus. Der Verbreitungsgrad des Konzepts ist noch relativ gering und durch moderate Zuwachsraten gekennzeichnet. In der Expansionsphase treffen die propagierten Ideen und Leitbilder auf eine immer größere Akzeptanz. Mehr und mehr Unternehmen gehen dazu über, das Konzept methodisch umzusetzen, während er zugleich von einer wachsenden Promotorengemeinschaft aufgegriffen und mit zunehmender Vehemenz in den Markt getragen wird. Sein Verbreitungsgrad steigt folglich stark an. In der Dominanzphase besitzt das Konzept die höchste Akzeptanz. Die vertretenen Ideen werden zur allgemein anerkannten Norm. Diese Phase ist wiederum durch moderates Wachstum gekennzeichnet, diesmal jedoch ausgehend von einem relativ hohen Verbreitungsgrad. In der Dethematisierungsphase schließlich setzt ein Wechsel der Denkhaltung ein. Die vertretenen Ideen gelten nicht mehr als neu und innovativ, sie haben sich abgenutzt, Schwächen erkennen lassen und müssen neuen Konzepten weichen. Immer mehr Berater lösen sich aus den alten Koalitionen, distanzieren sich von den ehemals propagierten Ideen – und schließen sich in neuen Promotorengemeinschaften zusammen, um die Folgemode aus der Taufe zu heben.

4

Empirische Befunde

Durch eine Zusammenfassung des Verbreitungsgrades eines Konzepts und seines wahrgenommenen wettbewerbsstrategischen Potenzials kann ein Portfolio aufgestellt werden, das eine Klassifikation von Managementkonzepten in vier idealtypische Kategorien ermöglicht (siehe Abb. 1; vgl. Fink 2003, S. 55 ff.; Fink / Knoblach 2003, S. 244 ff. Fink / Knoblach 2002, S. 29 f.). Das gewichtete wahrgenommene wettbewerbsstrategische Potenzial eines Konzepts wird hierzu als achsenbildendes Merkmal auf der Ordinate des Portfolios abgetragen. Auf der Abszisse wird ihm der Verbreitungsgrad des betreffenden Konzepts gegenübergestellt. Legt man als Klassifikationsschranken den Übergang von einem geringen zu einem hohen wettbewerbsstrategischen Potenzial einerseits und einen Verbreitungsgrad von 50 Prozent andererseits zugrunde, so lassen sich aus der resultierenden Vier-Felder-Matrix die folgenden idealtypischen Arten von Managementkonzepten ableiten: Spekulativkonzepte, Schrittmacherkonzepte, Schlüsselkonzepte und Basiskonzepte. Spekulativkonzepte sind Managementkonzepte, die sich noch in einem frühen inhaltlich-gestalterischen Entwicklungsstadium befinden (Thematisierung). Die Ergebnisse der empirischen Befragung zeigen, dass es sich bei den propagierten Ideen zu virtuellen Unternehmen um ein entsprechendes Konzept handelt. Sowohl ihr wahrgenommenes wettbewerbsstrategisches Potenzial als auch ihr Verbreitungsgrad sind (noch) vergleichsweise gering. Ein Grund hierfür kann darin liegen, dass virtuelle Unternehmensstrukturen grundsätzlich auf dem Einsatz komplexer informations- und kommunikationstechnischer Systeme beruhen, die zum Teil noch nicht die erforderliche technische


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Reife erlangt haben und deren Einsatz in vielen Unternehmen noch auf Qualifikations- und Akzeptanzprobleme stößt. Es werden jedoch bereits Diskurse initiiert, um die Stabilität der vertretenen Ideen und Leitbilder zu überprüfen, vereinzelte, risikobereite Innovatoren wenden das Konzept zumeist im kleinen Rahmen an. Aufgrund ihres noch frühen Entwicklungsstadiums sowie der hohen Unsicherheit bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit ist auch das zukünftige wettbewerbsstrategische Potenzial von Spekulativkonzepten allerdings grundsätzlich nur schwer abzuschätzen. Schrittmacherkonzepte sind Managementkonzepte, die ebenfalls noch am Anfang ihrer inhaltlichen Entwicklung stehen, die jedoch – in den Augen potenzieller Anwender – bereits ein maßgebliches wettbewerbsstrategisches Potenzial erkennen lassen. Hierzu zählen in der Praxis das Wissensmanage500

Gewichtetes wahrgenommenes wettbewerbsstrategisches Potenzial

Schrittmacherkonzepte

Schlüsselkonzepte

EC TQM 400 BPR

CRM

WM

LM KKM 300 WS

VU SVM 200

Basiskonzepte

Spekulativkonzepte 100 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Verbreitungsgrad (in %)

Legende: BPR = Business Process Reengineering; TQM = Total Quality Management; WM = Wissensmanagement; CRM = Customer Relationship Management; LM = Lean Management; KKM = Kernkompetenzen-Management; SVM = Shareholder Value Management; WS = Wachstumsstrategien; EC = E-Commerce; VU = Virtuelle Unternehmen (100 Punkte: geringes Potenzial; 500 Punkte: hohes Potenzial) Quelle: Fink / Knoblach 2003, S. 243

Abb. 1. Der Lebenszyklus von Managementkonzepten

228


ment, das Customer Relationship Management sowie E-Commerce. Ihr Verbreitungsgrad ist noch verhältnismäßig gering, beginnt aber aufgrund des hohen wahrgenommenen Wettbewerbspotenzials zu steigen (Thematisierung / Expansion). Vor allem für schnell agierende Pioniere zeichnet sich zu Beginn dieser Phase die Chance ab, Wettbewerbsvorteile gegenüber einem relativ großen Anteil der Konkurrenz zu erringen, der das betreffende Konzept noch nicht verfolgt. In Anbetracht des zunehmenden Verbreitungsgrades und des wahrgenommenen Wettbewerbspotenzials beginnen zudem mehr und mehr Berater, die zugrundeliegenden Ideen und Leitbilder aufzugreifen, zu verbreiten und inhaltlich zu verfeinern. Schlüsselkonzepte sind Managementkonzepte, deren Ideen und Leitbilder von der Mehrheit ihrer potenziellen Anwender als maßgeblich für den Ausbau und Erhalt ihrer Wettbewerbsfähigkeit und somit als Grundlage erfolgreichen Managements anerkannt werden. In der Praxis sind dies Lean Management, Business Process Reengineering, Total Quality Management und das Management der eigenen Kernkompetenzen. Aufgrund des hohen Verbreitungsgrades von Schlüsselkonzepten beginnt ihr wahrgenommenes Potenzial zur Erringung strategischer Wettbewerbsvorteile zwar abzunehmen, die Verfolgung der in den Konzepten propagierten Leitgedanken gilt jedoch gemeinhin als essentiell, um mögliche Wettbewerbsnachteile zu vermeiden, so dass ihr Verbreitungsgrad weiter ansteigt (Expansion / Dominanz). Basiskonzepte schließlich sind Managementkonzepte, die von den meisten Unternehmen der relevanten Grundgesamtheit verfolgt werden, da ihre Ideen und Leitbilder in dem betreffenden Wettbewerbsumfeld einen fest etablierten methodisch-inhaltlichen Bestandteil des regulären Geschäfts bilden (Dominanz). Aufgrund ihres hohen Verbreitungsgrades nimmt ihr wahrgenommenes Potenzial zur Erringung von Wettbewerbsvorteilen weiter ab. In Folge erster Berichte über Problemfelder, unerwünschte „Nebenwirkungen“ und Fehlschläge, die in den nur noch maßvoll aufrechterhaltenen Diskursen aufgegriffen und verbreitet beziehungsweise in neuen Diskursen zu nachfolgenden Managementkonzepten als Argument für einen Wechsel der Denkhaltung hervorgehoben werden, kann auch ihre wahrgenommene Bedeutung für die generelle Wettbewerbsfähigkeit und damit ihr Verbreitungsgrad zurückgehen (Dethematisierung). Dabei gilt allerdings auch für Managementmoden, was sich für die Mode im Allgemeinen bereits wiederholt gezeigt hat: Der Wechsel von Form, Farbe, Material etc. folgt regelmäßigen Mustern. So ist nicht selten zu beobachten, dass auch die Leitgedanken ausgedienter Managementkonzepte in variierter Form und neuem Gewand wieder aufleben. Ehemalige Basiskonzepte können somit erneut als Spekulativkonzepte in den Lebenszyklus eingehen. Es muss jedoch genug Zeit vergehen, damit die einstige Mode in Vergessenheit geraten und somit wiederum als neu und werthaltig propagiert werden kann.


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Literatur Benninghaus, H. (1998): Einführung in die sozialwissenschaftliche Datenanalyse, 5. Aufl., München, Wien 1998. Fink, D. (2003): A Life Cycle Approach to Management Fashion: An Investigation of Management Concepts in the Context of Competitive Strategy, in: Schmalenbach Business Review (zfbf), Vol. 55 (2003), S. 46-59. Fink, D. / Knoblach, B. (2002): Aktuelle Managementansätze: Alles bleibt anders, in: BeraterGuide 2003: Das Jahrbuch für Beratung und Management, hrsg. von D. Fink, A. Gries und T. Lünendonk, München 2002, S. 26-31. Fink, D. / Knoblach, B. (2003): Die großen Management Consultants: Ihre Geschichte, ihre Konzepte, ihre Strategien, München 2003. Groys, B. (1999), Über das Neue: Versuch einer Kulturökonomie. Heinisch, C. (2001): Besser beraten, in: Beratung: Management, IT, Kommunikation, Verlagsbeilage der Frankfurter Allgemeine Zeitung, 29.05.2001, S. B1. Kieser, A. (1996), Moden und Mythen des Organisierens, in: Die Betriebswirtschaft, 56. Jg., S. 21-39. Kieser, A. (1998): Unternehmensberater – Händler in Problemen, Praktiken und Sinn, in: Organisation im Wandel der Märkte, hrsg. von H. Glaser, E.F. Schröder u. A.v. Werder, Wiesbaden 1998, S. 191-225. Link, J. (1993), Die Erringung strategischer Wettbewerbsvorteile durch Systeminnovationen, in: Zeitschrift für Betriebswirtschaft, 63. Jg. (1993), S. 1117-1136. Link, J. / Hildebrand, V. (1993), Database Marketing und Computer Aided Selling: Strategische Wettbewerbsvorteile durch neue informationstechnologische Systemkonzeptionen, München 1993. McKinley, W. / Mone, M.A. / Barker, V.L.I. (1997), The Protestant Ethic, the Postmodern Ethic, and the Ideological Spirit of Downsizing, Working Paper, Department of Management, Southern Illinois University 1997. Porter, M.E. (1997): Wettbewerbsstrategie: Methoden zur Analyse von Branchen und Konkurrenten, 9. Aufl., Frankfurt am Main 1997. Porter, M.E. (1999): Wettbewerbsvorteile: Spitzenleistungen erreichen und behaupten, 5. Aufl., Frankfurt am Main, New York 1999. Roth, E. (1993), Sozialwissenschaftliche Methoden: Lehr- und Handbuch für Forschung und Praxis, 3. Aufl., München, Wien 1993. Straub, W. / Forchhammer, L. (1995): Berater können erfolgreicher werden, in: Harvard Business Manager, Nr. 3/1995, S. 9-21. Watson, T.J. (1994), Management `flavours of the month´: their role in managers´ lives, in: The International Journal of Management, Vol. 5 (1994), S. 893-909.

Evaluation als Treiber nachhaltiger Effizienzsteigerung im regionalen Beschäftigungsnetzwerk Oded Löwenbein und Karsten Heinrich Fachbereich Wirtschaft Rheinbach

1

Einleitung

Die Evaluation politischer Programme hat sich in Deutschland in den sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts etabliert. Ziel war die Analyse der Wirkungen von gesetzlichen Initiativen der Bundesregierung zur Stabilisierung des stetigen wirtschaftlichen Wachstums und Wohlstands. Nach Beendigung der Maßnahmen wurde eine summarische Bewertung durch Beratungsunternehmen und Forschungsinstitute vorgenommen. Die summative Evaluation ist in die Kritik geraten, weil ihre Ergebnisse in der Regel zu spät für die Gestaltung neuer Maßnahmen kamen und keine Hilfestellung während der Programmlaufzeit erfolgte. Daraufhin hat sich die Erwartung in der Politik nach einer Prozess begleitenden Evaluation verstärkt. Die Evaluation hat nunmehr die Möglichkeit, Impulse während der Programmlaufzeit zu setzen. In Zeiten knapper Kassen stehen Effizienzsteigerungen häufig im Mittelpunkt des Interesses von öffentlichen Geldgebern. Genießt die Evaluation das Vertrauen der Projektbeteiligten, dann kann sie als Treiber nachhaltiger Effizienzsteigerungen wirken, wie im Folgenden am Beispiel des regionalen Beschäftigungsnetzwerkes in Pforzheim gezeigt wird. Dazu werden zunächst ein Evaluationsansatz vorgestellt, der den neuen Anforderungen entspricht und die beiden Programme zur Beschäftigungsförderung sowie die Struktur des regionalen Netzwerkes vorgestellt. Anschließend werden drei Beispiele erläutert, bei denen die Evaluation als Treiber nachhaltiger Effizienzsteigerungen im regionalen Netzwerk wirken konnte.

2

Theoriebasierte Evaluation

Werden abschließende Wirkungsanalysen und Prozess begleitende Beratung durch die Evaluation erwartet, dann empfiehlt sich ein ganzheitlicher Ansatz,

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Oded Löwenbein und Karsten Heinrich

welcher den innovativen Programmansätzen Rechnung trägt und der die impliziten und expliziten Annahmen transparent macht. Er wurde von Chen (2005) im Kontext des theoriebasierten Evaluationskonzeptes entwickelt und differenziert zwischen dem so genannten Veränderungsmodell („change model“), in dem die theoretischen Grundlagen des Programms zu den UrsacheWirkungszusammenhängen spezifiziert werden und dem systematischen Plan – auch Aktionsmodell („action model“) genannt, der zur Organisation der tagtäglichen Aktivitäten erforderlich ist (Chen 2005, S. 19). Das Veränderungsmodell ist auch unter der Bezeichnung Kausalmodell bekannt (Chen 2005, S. 17) und besteht aus vier Komponenten: Ziele und Ergebnisse, Determinanten sowie Interventionen. Zentrale Fragen sind: „Welche Determinanten werden durch die Intervention geändert? Welche Wirkungen werden durch die Änderung der Bestimmungsfaktoren beeinflusst?“ (Chen 2005, S. 66). Das Aktionsmodell umfasst die unterstützenden Rahmenbedingungen des Programms, die Anwerbung und Einstellung qualifizierter Mitarbeiter im Projekt, der Auswahl geeigneter Teilnehmer für die Maßnahme im Bildungspakt, der Entwicklung der adäquaten Dienstleistungsstruktur und dem Aufbau und der Pflege einer Organisationsstruktur zur Steuerung der Aktivitäten. „Es ist entscheidend zu erkennen, dass der Einfluss durch das Kausalmodell sich aus dem Effekt der Intervention und den Ausprägungen der Programmimplementation zusammensetzt“ (Chen 2005, S. 23). Beide Modelle gilt es bei der Evaluation im Interesse einer ganzheitlichen Betrachtung zu reflektieren. In beiden Komponenten empfiehlt sich eine auf theoretischen Ansätzen basierte Vorgehensweise. Entsprechend wird die Analyse der impliziten und expliziten Annahmen beider Modelle als Programmtheorie bezeichnet (Chen 2005, S. 16). Für das Kausalmodell ist diese Herangehensweise nicht neu. Summative Evaluationen sind in der Regel durch hypothesengeleitete Reflektionen von Ursache-Wirkungszusammenhängen gekennzeichnet. In Abhängigkeit vom betrachteten Untersuchungsgegenstand wird auf jeweilige Modelle in der entsprechenden Wissenschaft zurückgegriffen. Der Mehrwert des ganzheitlichen Ansatzes ergibt sich durch das Plädoyer für theoriebasierte Aktionsmodelle, um die Wirkungen impliziten und expliziten Annahmen im Bereich der Umsetzung beurteilen zu können. „Erfahrungen haben uns klar gelehrt, das Versagen von Programmen im Wesentlichen auf Versäumnisse bei der Umsetzung von Programmen zurückzuführen sind“ (Chen 2005, S. 50). In diesem Sinne setzt der Ansatz an einem Engpass an, dessen Beseitigung von Nutzen für die Politik ist. Zudem ergibt sich ein steigender Erkenntniswert für die Politik, weil sich das Aktionsmodell nicht auf die theoretische Grundlage des Kausalmodells beschränkt. Beispielsweise kann der regionale Netzwerkansatz für den Bereich des Arbeitsmarktes ebenso passend sein wie für den Gesundheitsbereich.

Evaluation als Treiber nachhaltiger Effizienzsteigerung

233

Der Mehrwert ist allerdings mit Aufwand verbunden. In der Regel ist zur Extraktion und Spezifikation der impliziten Aktionstheorie eine intensive Reflektion mit den Beteiligten erforderlich. Die Konsequenz ist eine aktivere Rolle der Evaluation (Patton 1997, S. 219). „Wenn der Evaluator die Programmtheorie der Stakeholder zu klären beginnt, oder wenn sich eine Theorie bei den Stakeholdern mit Hilfe des Evaluators zu entwickeln beginnt, dann ist ein wichtiges Element zu klären. Welche Rolle sollte der Evaluator in diesem Prozess spielen? Wie kann er oder sie am besten zur Arbeit beitragen?“ (Chen 2005, S. 63).

3

Regionale Beschäftigungsnetzwerke in Pforzheim

3.1 Zielsetzung der Entwicklungspartnerschaft PFIFF Die Entwicklungspartnerschaft „Pforzheim integriert durch Fördern und Fordern (PFIFF)“ war eine von 129 Entwicklungspartnerschaften der Gemeinschaftsinitiative EQUAL in Deutschland. EQUAL war ein arbeitsmarktpolitisches Programm, das aus den Mitteln des Europäischen Sozialfonds kofinanziert wurde und hatte die Entwicklung und Erprobung innovativer Konzepte und Methoden zum Abbau von Diskriminierungen und Ungleichheiten jeglicher Art am Arbeitsmarkt zum Ziel (Heister 2008, S. 15). Der innovative Charakter des gesamten Programms spiegelte sich im Ansatz der Entwicklungspartnerschaft wider. Die Schaffung eines regionalen Netzwerkes für Beschäftigung und innovative Projektverflechtungen diente dem Ziel, Beschäftigungschancen von Schülern und Arbeitslosen zu fördern. 3.2 Zielsetzung Silverstars Silverstars zählte zu den 62 Beschäftigungspakten des Bundesprogramms „Perspektive 50plus – Beschäftigungspakt für Ältere in den Regionen“. Im besonderen Fokus der Perspektive 50plus steht die berufliche Wiedereingliederung älterer Arbeitsloser. Neben dem Ziel der Wiedereingliederung ist die Intention des Programms, den Aufbau und die Weiterentwicklung von regionalen Netzwerken zu verbindlichen Paktstrukturen zu fördern (Weiland 2008, S. 40). Die Ziele von Silverstars hatten einen restruktiven und einen präventiven Aspekt. Ältere Arbeitslose wurden qualifiziert und auf ihren Weg zurück in den Arbeitsmarkt persönlich betreut. Zusätzlich wurden einige als so genannte Bildungsranger eingesetzt und unterstützten die Schüler bei ihrem Bestreben nach einem erfolgreichen Schulabschluss sowie durch eine Erhöhung der Orientierung am Arbeitsmarkt. Somit konnte die Gefahr zukünftiger Arbeitslosigkeit gemindert werden. Neben diesen Zielen wurde die Stärkung des regionalen Beschäftigungsnetzwerkes angestrebt.

234


3.3 Strategische und operative Partner Die Entwicklungspartnerschaft PFIFF in Pforzheim stellte ein multidimensionales Netzwerk dar. Kern des regionalen Netzwerkes von PFIFF und Silverstars bildeten die Partner auf strategischer und operativer Ebene. Auf der strategischen Ebene wirkten die folgenden Partner mit: „die Agentur für Arbeit, die ARGE Jobcenter Stadt Pforzheim (ARGE), die IHK Nordschwarzwald, die Handwerkskammer Karlsruhe – Außenstelle Pforzheim, der DGB, die Stadtbau GmbH, der DeHoGa, das staatliche Schulamt für die Stadt Pforzheim und das Regionalbüro für Fort- und Weiterbildung“ (Happel-Tominski 2008, S. 113). Die operative Ebene bei PFIFF setzte sich aus neun Teilprojekten zusammen, wovon sieben durch die drei regionalen Träger QPrints, der Gesellschaft für Beschäftigung und berufliche Eingliederung Pforzheim (GBE) und Power bewirtschaftet wurden. Die Projektleitung und die transnationale Kooperation wurde von der Stadt Pforzheim, Stabstelle für Beschäftigungsförderung geführt. Die Projektstruktur von Silverstars sieht Power, GBE und das Amt für Beschäftigungsförderung als operative Partner vor. Die ARGE ist die zuweisende Stelle für GBE und Power. GBE betreibt ein Kompetenzzentrum, Power unterstützt die Bildungsranger und die Stabstelle für Beschäftigungsförderung übernimmt die Projektkoordination.

4

Beispiele für Effizienzsteigerung durch Evaluation

4.1 Paktbesuch in Gelsenkirchen „Best Ager“ ist ein Beschäftigungspakt mit Wirkungsfeld in Gelsenkirchen. Zum Zweck des Erfahrungsaustausches wurde von der Evaluation mit "Best Ager" ein Besuch vor Ort vereinbart. Dieser fand am 6. Juni 2007 in Gelseenkrichen statt. Im Vorgespräch der Evaluation mit der Projektleitung von „Best Ager“ hatte sich angedeutet, dass der Zuweisungsprozess zwischen ARGE und Trägern in Gelsenkirchen zur Zufriedenheit beider Seiten funktioniert und dass „Best Ager“ an einem offenen und vertrauensvollen Meinungsaustausch über dieses Thema interessiert war. Mitglieder aus der Geschäftsleitung der ARGE und von Trägern hatten ihre Teilnahme zugesagt. Mit diesen Informationen konnten der Geschäftsführer der ARGE Pforzheim und der Geschäftsführer eines der beiden Träger zur Fahrt nach Gelsenkirchen motiviert werden. Während des Treffens konnte die Projektleitung von „Best Ager“ den Zuweisungsprozess erläutern: Jeden Monat erhalten die Job-Clubs genannten Vermittlungsstellen in Gelsenkirchen eine aktuelle Datei der gesamten Neuzugänge der Zielgruppe. Von den Job-Clubs werden sie im Auftrag der ARGE zu einem ersten Kontaktgespräch eingeladen. Der ursprünglich zu beobach-


235

tende Engpass geringer Zuweisungen durch die ARGE konnte in Gelsenkirchen auf diese Weise behoben werden (Lob 2008, S. 196). Der stellvertretende Geschäftsführer der ARGE erläuterte die rechtlichen Rahmenbedingungen, die in diesem Zusammenhang zu beachten sind und die Entlastung seiner Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter durch den neuen Prozessablauf. Rückfragen des ARGE Geschäftsführers aus Pforzheim wurden unverzüglich beantwortet. Der Paktbesuch eröffnete auf Seiten der ARGEn einen Kommunikationsweg, der sonst nicht existiert und der einen Weg zu einem amtsübergreifenden Austausch öffnet (Wingerter 2006, S. 5). Der Geschäftsführer des Trägers machte die Zufriedenheit seiner Teilnehmer und Mitarbeiter transparent und erläuterte die Notwendigkeit des gegenseitigen Verständnisses vom Tun des Partners für das Funktionieren des Ablaufes. Bitten um detaillierte Erläuterung einzelner Teilaspekte durch den Träger-Geschäftsführer aus Pforzheim konnten während des Gespräches entsprochen werden. Am Ende des Gespräches stand unausgesprochen im Raum, dass der in Gelsenkirchen erfolgreiche Zuweisungsprozess auch in Pforzheim funktionieren könnte. Auf der Rückfahrt von Gelsenkirchen nach Pforzheim wurde die Nützlichkeit des detaillierten Meinungsaustausches insbesondere auf der ARGE Geschäftsführerebene hervorgehoben. Das Gespräch hat zur Unsicherheitsreduktion beigetragen und Gestaltungsmöglichkeiten transparent gemacht. Zudem vereinbarte der Geschäftsführer der ARGE mit dem Geschäftsführer des Trägers, den Gelsenkirchener Zuweisungsprozess zu adaptieren. Zur Stärkung des gegenseitigen Verständnisses zwischen ARGE und Trägern sowie zur Umsetzung des Prozesses wurde ein gemeinsamer Workshop von ARGE und Trägern der PFIFFund Silverstarsprojekte für den 2. und 3. Juli 2007 vereinbart. Der Workshop wurde von der Leitung des Projektes Silverstars organisiert und von der Evaluation moderiert. Am Ende des ersten Tages hatte sich das gegenseitige Verständnis der beteiligten Parteien verbessert und die Zielsetzung und Motivation des jeweiligen Handelns waren allen WorkshopTeilnehmern transparent. Zudem waren unvereinbare Schnittstellen und bisherige Stolpersteine im Zuweisungsablauf benannt. Am zweiten Tag wurden erste Lösungen erarbeitet und Projektteams zur Überwindung der weiteren Schnittstellen verabredet. Die strategischen Aspekte der Zusammenarbeit werden zukünftig durch das Steuerungsteam verantwortet. Auf der zweiten Ebene setzen sich Projektleiter auf Trägerseite und Bereichsleiter der ARGE regelmäßig mit der Projektkoordination von Silverstars zusammen. Fallmanager auf ARGEund Trägerseite stimmen sich auf der dritten Ebene in regelmäßigen Treffen und bei Bedarf direkt ab. Mit dieser Einteilung in Makro-, Meso- und Mikroebene werden kurze Wege und feste Ansprechpartner sichergestellt. Verzögerungen im Ablauf durch lange Abstimmungsprozesse werden vermieden. Auf diese Weise kommt der eingeleitete Lernprozess der Zielgruppe der älteren Langzeitarbeitslosen ebenso zugute wie den Vermittlerinnen und Vermittlern sowie der regionalen Wirtschaft. (Löwenbein 2007, S. 265)

236


4.2 Rat für Beschäftigung In Pforzheim führte jeder operative Partner in PFIFF wegen jedes neuen Projektes in Silverstars direkte Gespräche mit den in Frage kommenden strategischen Partnern. Diese unter Zeitdruck erfolgten Kontakte ließen bei den strategischen Partnern Unmut aufkommen, weil das vorgesehene Zeitbudget überschritten wurde. Dabei begrüßten sie grundsätzlich die Beteiligung an der Perspektive 50plus. Weniger die Länge der einzelnen Gespräche wurden als das besondere Problem eingestuft. Es war die Häufigkeit der Anrufe. Sie riss strategische Partner aus anderen Aktivitäten und führte zu einem Aufwand des Transfers zwischen Themen, der in der industriellen Produktion als störungsbedingte Kosten bekannt ist (Ebel 2008, S. 191). Wenn sie sich auf kurzfristig vereinbarte Termine vorbereiten mussten, dann entstanden zusätzlich so genannte Rüstkosten (Ebel 2008, S. 292). Eine Tendenz zur sinkenden Beteiligung deutete sich an. Insgesamt entstand die Situation, dass die direkte Kommunikation zwischen operativen und strategischen Partnern im Falle jedes einzelnen Projektes eine quantitative Erhöhung von der Gefahr sinkender Qualität begleitet wurde. Zusätzlich war eine abnehmende Neigung zur Beteiligung an möglichen anderen neuen Initiativen erkennbar. Einer derartigen Tendenz galt es angesichts der strukturellen Arbeitsmarktherausforderungen in Pforzheim mit ihrer Notwendigkeit von Beschäftigungsfördermaßnahmen über das Jahre 2007 hinaus entgegenzuwirken. Die Projektleitung trat Ende des Jahres 2006 an die Evaluation heran, eine Lösung für die obige Situation zu entwickeln. Sie entwarf zunächst ein Bild von der Ausgangslage. Die Kommunikationsstruktur wurde auf eine Betrachtung von sieben Projekten, betrieben von jeweils drei Programmen, operativen und strategischen Partnern beschränkt. Gemäß der unterschiedlichen Schwerpunkte der Projekte variiert die Kombination von Programm, operativem und strategischem Partner. In Abbildung 1 beteiligt sich der operative Partner 1 an den Programmen 1 und 3, während der operative Partner 2 an allen Programmen partizipiert. Der strategische Partner 1 unterstützt Projekte der operativen Partner 1 und 3 sowie ein Projekt des 2. Projektträgers. Der zweite strategische Partner beteiligt sich an jeweils einem Projekt der ersten beiden operativen Partner. Nach der Identifikation eines wesentlichen Engpasses, hat die Evaluation ein Modell entwickelt, welches die störungsbedingten Kosten vermeidet und die Rüstkosten optimiert1. Es basiert auf einer Bündelung der Kommunikationsprozesse. Inzwischen ist das Modell unter dem Namen „Rat für Beschäftigung“ bekannt (Abbildung 2).

1

Die Autoren danken Herrn Dietmar Fink für den Gedankenaustausch bei der Erstellung des Konzeptes.


237

Abb. 1. Individualabsprachen zwischen operativen und strategischen Partnern

Die strategischen Partner treten im Rat für Beschäftigung zusammen und stellen Einvernehmen über die Kriterien zur Förderung von Projekten zur Beschäftigungsförderung her. Ein entsprechender Vorschlag für Förderkriterien kann von der Koordinationsstelle entwickelt werden. Die entwickelten Kriterien werden veröffentlicht und an die operativen Partner übermittelt. Ebenso informiert die Koordinationsstelle über Ausschreibungen von Programmen des Bundes und des Landes Baden-Württemberg zur Beschäftigungsförderung. Entsprechend können operative Partner Konzepte für neue Projekte in der Clearingstelle einreichen, wo eine Strukturierung aller Anträge vorgenommen wird. Die Koordinationsstelle überprüft die Kongruenz der Projektanträge mit den vom Rat für Beschäftigung beschlossenen Kriterien und klärt mögliche Rückfragen mit den Projektträgern. Das Ergebnis wird den strategischen Partnern gebündelt übermittelt. Aus dem Rücklauf wird die Sitzungsvorlage für den Rat erstellt. Die strategischen Partner beschäftigen sich zu einem von Ihnen gewählten Zeitpunkt mit den für sie relevanten Projektanträgen. Die bisherigen zahlreichen Kontakte mit den operativen Partnern entfallen. Störungsbedingte Kosten

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Abb. 2. Rat für Beschäftigung

werden vermieden. Durch die Bündelung werden zudem die Rüstkosten gesenkt. Von laufenden Projekten erhält die Koordinationsstelle Zwischenberichte und kann auswählen, aus welchem Projekt bei der nächsten Sitzung des Rates für Beschäftigung berichtet werden sollte. Strategische Partner werden entlastet. Sie erhalten über die ergebnisorientierte strukturierte kurze Ausarbeitung der Clearingstelle einen schnellen Überblick über den Stand der Projekte. Die Häufigkeit kurzer Gespräche zwischen operativen und strategischen Partnern über den Stand laufender Projekte nimmt ab. Störungsbedingte Kosten werden reduziert. Das Konzept des Rates für Beschäftigung wurde im Oktober 2007 im Gemeinderat vorgestellt. Im November wurde es in den entsprechenden Ausschüssen diskutiert. Im Dezember hat der Gemeinderat bereits einen Mehrheitsbeschluss zur Einrichtung des Rates beschlossen. Die Innovation des Modells ist eine strukturierte Auseinandersetzung in einem Entscheidungsgremium mit allen relevanten Unterstützern zur Verbesserung der Beschäftigungssituation in Pforzheim. Es gab in der Stadt zwei Gre-


239

mien, in denen Beschäftigungsförderung thematisiert wurde. Beide Gremien hatten die Informationsvermittlung zum Schwerpunkt. Sie werden künftig im Rat für Beschäftigung integriert. Hinzugefügt wird im neuen Ansatz der Schwerpunkt auf die Entscheidungsfindung. 4.3 Selbstevaluation Die Evaluation von PFIFF hat im Rahmen eines Workshops Methoden und Instrumente der Selbstevaluation vorgestellt und damit den Prozess der Selbstevaluation aktiviert. Als Mitglied der Arbeitsgruppe Selbstevaluation konnte sie beratend den Prozess der Selbstevaluation begleiten und einen kontinuierlichen Lernprozess initiieren (Happel-Tominski 2008, S. 118). Die Selbstevaluation ermöglichte die Selbstreflexion auf das gemeinsame Handeln innerhalb der Projekte und diente zur Überprüfung der Projektziele. Durch die Einbindung aller Beteiligten in den Selbstevaluationsprozess wurde eine Transparenz geschaffen, die eine höhere Identifikation mit dem Projekt nach sich zog. Entsprechend konnten gemeinsam bei Zielkonflikten geeignete Maßnahmen entwickelt werden. Die Umsetzung der Maßnahmen wurde insbesondere dadurch gefördert, weil alle Beteiligten ein direktes Interesse an der Situationsverbesserung hatten, um die Qualität des Projektes sicherzustellen. Somit konnte die Evaluation einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Effizienz leisten (Heinrich 2007, S. 15). Die Erkenntnisse zur Selbstevaluation aus dem Projekt PFIFF wurden in Silverstars transferiert, das in seiner zweiten Phase bis 2010 läuft. Das Lernen der Projektmitarbeiter evaluatorisch zu denken und agieren kann einen nachhaltigen Einfluss auf ihr Denken, ihre Bereitschaft zur Überprüfung der Realität und wie sie ihre Tätigkeit sehen haben (Patton 2004, S. 289). Somit ist von einer nachhaltigen Wirkung der Evaluation auszugehen.

5

Schlussbemerkung

In den drei Beispielen hat die Evaluation Impulse gesetzt, die zu Effizienzsteigerungen im regionalen Netzwerk geführt haben. Die Selbstevaluation wird in der zweiten Förderphase von Silverstars von der Projektkoordination weitergeführt. Der Rat für Beschäftigung hat sich am 11. Juni 2008 in Pforzheim zu seiner konstituierenden Sitzung getroffen. Allein bei der Zusammenarbeit mit der ARGE sind angesichts der neuen Rechtssprechung Unsicherheiten für die Zukunft erkennbar. Wird die Aufgabenverteilung zwischen der Agentur für Arbeit und den Kommunen bei der Betreuung von Arbeitslosen neu strukturiert, dann sind die in Pforzheim entwickelten Strukturen entsprechend anzupassen. Die im gemeinsamen Workshop vereinbarten Arbeitsgruppen bilden aber auf jeden Fall eine solide Basis, auf der die neue Zusammenarbeit gestaltet werden kann.

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Mit ihrer Funktion als Treiber nachhaltiger Effizienzsteigerungen ist nicht nur der zeitliche Aufwand für die Evaluation erheblich. Die aktive Teilnahme an der Gestaltung des Projektes erhöht die Gefahr einer verzerrten Wahrnehmung der Projekterfolge. Die Beurteilung des Projektes durch die Evaluation wird erschwert. Der theoriebasierte Ansatz ist an dieser Stelle hilfreich, weil er im Rahmen des Programmmodells die Analyse der impliziten und expliziten Annahmen nicht nur des Kausal- sondern auch des Aktionsmodells transparent macht und reflektiert. Der Anteil objektiver und nachvollziehbarer Schlussfolgerungen steigt. Die Wahrscheinlichkeit subjektiver Einschätzungen sinkt. Auf diese Weise besteht sowohl die Möglichkeit der Evaluation, das Projekt während der Projektlaufzeit zu beraten als auch anschließend eine Beurteilung vorzunehmen.

Literatur Chen, H.-T., 2005: Practical Program Evaluation, Thousand Oaks, London, New Delhi. Ebel, B. 2008: Kompakttraining Produktionswirtschaft, 2. Auflage, Ludwigshafen. Happel-Tominski, S. 2008: „Die Erwartungen der Projektträger an die Evaluation“, in: Ant, M., Hammer, A., Löwenbein, O. (Hrsg.): Nachhaltiger Mehrwert von Evaluation, Gütersloh, S. 113 – 120. Heinrich, K. 2007: „Evaluation – Selbstevaluation“, in: PFIFF (Hrsg.): Evaluationspraxis, Pforzheim, S. 14 – 16. Heister, M. 2008: „Aktuelle Erfahrungen mit der Evaluation von EQUAL-Projekten in Deutschland“ in: Ant, M., Hammer, A., Löwenbein, O.: Nachhaltiger Mehrwert von Evaluation, Gütersloh, S. 15 – 26. Lob, S. 2008: „Qualitätsmanagement und Nachhaltigkeit am Beispiel von ‚Best Ager‘“ in: Ant, M., Hammer, A., Löwenbein, O.: Nachhaltiger Mehrwert von Evaluation, Gütersloh, S. 193 – 205. Löwenbein, O. 2007: „Die Evaluation als „Boundary Spanning Agent“, in: Brauer, K., Korge, G. (Hrsg.): Evaluation regionaler Arbeitsmarktförderung für Ältere: Erfolgsfaktoren – Methoden – Instrumente. Die Evaluationsrunde des Bundesprogramms „Perspektive50plus“, Stuttgart, S. 261 – 269. Patton, M.Q. 1997: Utilization-Focused Evaluation – The New Century Text, 3rd. Edition, Thousand Oaks, London, New Delhi. Patton, M.Q. 2004: “The Roots of Utilization-Focused Evaluation”, in: Alkin (ed.): Evaluation Roots – Tracing Theorists’ Views and Influences, Thousand Oaks, London, New Delhi, p. 276-292. Weiland, M. 2008: „Arbeitsförderung für Ältere – Perspektive 50plus“ in: Ant, M., Hammer, A., Löwenbein, O.: Nachhaltiger Mehrwert von Evaluation, Gütersloh, S. 27 – 54. Wingerter, Perdita 2006: Grenzübergreifende Ideenbörse – Vernetzung regionaler Arbeitsmarktakteure. In: Heister, Michael: EQUAL Newsletter 17 – Regionale Arbeitsmarktentwicklung, Bonn, S. 5 – 6.

Neue Ansätze zur Abbildung von Ausfallrisiken in der externen Rechnungslegung von Banken Stephanie Mehl, Wilhelm Schneider und Tobias Amely Fachbereich Wirtschaft Rheinbach

1

Ausgangssituation

Für die Bilanzierung von Ausfallrisiken bei Kreditinstituten lässt sich kein einheitliches Konzept erkennen:1 Es stehen im Wesentlichen zwei Rechnungslegungsmodelle zur Verfügung, die sich nach dem Zeitpunkt der Berücksichtigung der Risiken unterscheiden. Während das Incurred Loss-Modell (ILM) im Rahmen der Risikovorsorge nur bereits eingetretene Kreditverluste berücksichtigt, stellt das Expected Loss-Modell (ELM) grundsätzlich auf erwartete Verluste ab. Die Bilanzierung von Ausfallrisiken orientiert sich sowohl nach HGB als auch IFRS überwiegend an der ILM und setzt damit erst relativ spät am tatsächlichen Ausfall eines Einzelkredits an. Hieraus resultiert – wie noch zu zeigen sein wird – grundsätzlich eine asymmetrische Vereinnahmung von Risikoertrag und Risikoaufwand und damit eine weitgehend intransparente Darstellung der Ertragslage sowie u.U. eine nicht gerechtfertigte Ausschüttung von Risikodeckungsmasse. Akuten Ausfallrisiken ist in der deutschen Rechnungslegung nach HGB im Zeitpunkt ihres Bekanntwerdens durch Bildung einer Einzelwertberichtigung Rechnung zu tragen. Für homogene Kreditportfolien wie im Massenkreditgeschäft sowie bei Länderrisiken wird aus Wirtschaftlichkeitserwägungen auf pauschalierte Einzelwertberichtigungen zurückgegriffen. Elemente des ELM finden sich allenfalls bei der Erfassung latenter Ausfallrisiken über Pauschalwertberichtigungen. Nach den IFRS richtet sich die Risikovorsorge gegen Ausfallrisiken nach dem branchenübergreifenden Standard IAS 39. Die Bewertung von Forderungen der Kategorie „loans and receivables“ erfolgt zu fortgeführten Anschaffungskosten 1

Vgl. Gebhardt, G. / Strampelli, S. (Kreditrisiken, 2005), S. 15.

242

Stephanie Mehl, Wilhelm Schneider und Tobias Amely

verbunden mit regelmäßigen impairment tests entsprechend der Effektivzinsmethode. Hierbei aufgedeckte incurred losses werden mittels Einzelwertberichtigungen oder ggf. über Portfoliowertberichtigungen erfasst. Ausfallrisiken werden somit vor allem in der internationalen aber auch überwiegend in der handelsrechtlichen Rechnungslegung nach dem ILM erfasst. Dies bedeutet, dass die bilanzielle Erfassung von Ausfallrisiken an Auslösetatbestände gekoppelt ist, welche durch ihre Interpretation und Sachverhaltsgestaltung von Banken gewollt herausgeschoben werden können. So können z.B. durch die bonitätsmäßig nicht gerechtfertigte Prolongation eines Engagements Wertberichtigungen aufgeschoben und somit sowohl eine ausreichende als auch eine zeitnahe Vorsorge gegen Ausfallrisiken verhindert werden.2 Dies kann dazu führen, dass der wachsende Nachholbedarf sich schließlich in einer verspäteten, dann aber betragsmäßig höheren Wertberichtigung niederschlägt, die das Periodenergebnis deutlich belastet und eine unsachgemäß hohe Volatilität der Ergebnisse induziert.

2

Konzeptionelle Mängel des Incurred Loss-Modells

Mit den angedeuteten Mängeln stellt sich die Frage, ob die konzeptionelle Beschränkung auf das ILM eine Ursache für den volatilen Wertberichtigungsbedarf und den einhergehenden volatilen Ergebnisausweis der Banken ist.3 Aufgrund von Erfahrungswerten rechnen Banken bereits bei der Kreditvergabe mit einem Ausfall bei einem Teil ihres Kreditportfolios. Dieser erwartete Verlust wird als Risikomarge im Kreditzins berücksichtigt und soll später anfallende erwartete Verluste decken.4 Zinserträge, und damit die in ihnen enthaltene Risikoprämie, werden zeitanteilig über die Kreditlaufzeit vereinnahmt. Die dieser Risikoprämie gegenüber stehenden Kreditausfälle fallen allerdings nicht gleichmäßig über die Laufzeit an, sondern entstehen in den meisten Fällen „auf einen Schlag“ in einer bestimmten Periode. Bei einer guten Schätzung der erwarteten Verluste können sich Erträge aus der Risikoprämie und Aufwendungen aus Kreditausfällen – zumindest aus Portfolioebene – über die Jahre gesehen ausgleichen.5 Selbst dann bleibt jedoch das Problem bestehen, dass die asymmetrische Vereinnahmung von Risikoprämie und Risikoaufwand das Jahresergebnis der Banken volatil gestaltet. In wirtschaftlich starken Jahren, wenn Kreditausfälle typischerweise aufgrund einer verbesserten Ertragskraft der Kreditnehmer eher gering sind, stehen den vereinnahmten Risikoprämien grundsätzlich geringere tatsächliche 2


3


4

Vgl. Mann, F. / Michael, I. (Provisioning, 2002), S. 128 ff.

5

Vgl. Mann, F. / Michael, I. (Provisioning, 2002), S. 130.

Abbildung von Ausfallrisiken in der externen Rechnungslegung von Banken

243

Ausfälle gegenüber. Diese „überschüssige“ Risikoprämie erhöht über die Jahre das Ergebnis der Bank. In wirtschaftlich schlechten Zeiten lassen größere Kreditausfälle das Jahresergebnis dagegen schlagartig schrumpfen.6 Aus der ungleichmäßigen Vereinnahmung von Risikoprämie und Risikoaufwand resultiert eine intransparente Darstellung der Ertragslage, da in guten Jahren eine Ertragskraft, die zumindest auf Dauer nicht den tatsächlichen Verhältnissen entspricht, suggeriert wird. Hinzu kommt, dass z.B. durch Zahlungen entsprechender Dividenden und Tantiemen an Aktionäre und Mitarbeiter Substanz ausgeschüttet werden kann, die eigentlich dazu bestimmt ist, in späteren Jahren Kreditverluste auszugleichen, wenn diese die anteilige Risikoprämie übersteigen.7 Führt man diesen Gedanken noch weiter, lässt sich ein enger Zusammenhang zwischen Konjunkturverlauf und Kreditvergabe sowie zwischen Konjunkturverlauf und Kreditausfallquote erkennen.8 Die Abbildung zeigt, dass sich die Kreditvergabe der Banken nicht nur prozyklisch zur Konjunktur entwickelt, sondern dazu neigt, in konjunkturellen Expansionsphasen schneller zu wachsen als das Bruttoinlandsprodukt (BIP), in Rezessionsphasen jedoch dahinter zurück bleibt.9 Diese Entwicklung lässt sich dadurch erklären, dass die gute Ertraglage ihrer Kunden in wirtschaftlich starken Jahren Banken ermutigt, ihre Kreditvergabe auszuweiten.10

Abb. 1. Entwicklung der Kredit- und BIP-Wachstumsrate in Deutschland zwischen 1995-200711

6


7

Vgl. Fernández de Liz, S. et al. (Credit Risk Provisioning, 2000), S. 11-12.

8

Vgl. Fernández de Liz, S. et al. (Credit Risk Provisioning, 2000), S. 3, 6.

9

Vgl. auch Fernández de Liz, S. et al. (Credit Risk Provisioning, 2000), S. 3.

10

Mann, F. / Michael, I. (Provisioning, 2002), S. 130.

11

Eigene Darstellung. Datenquelle: http://www.vgrdl.de/Arbeitskreis_VGR/ergebnisse. asp#BIP, http://www.bundesbank.de/statistik/statistik_banken.php (Stand: 14.02. 2008). Das Wachstum der Kreditvergabe bezieht sich auf Buchkredite an inländische Nichtbanken.

244


Gleichzeitig kann sich jedoch das Risikoprofil ihres Kreditbestandes verschlechtern, da sich die Verhandlungsposition der Kreditnehmer, durch ein erhöhtes Kreditangebot konkurrierender Institute, verbessert. Kommt es in den Folgeperioden zu einer Abschwächung der Konjunktur und damit zu erhöhten Ausfällen, zehren die Verluste aus dem Kreditgeschäft am Jahresergebnis der Banken, die diese mit Eigenkapital auffangen müssen. Gleichzeitig gehen die Bereitschaft sowie die finanziellen Möglichkeiten zur Kreditvergabe zurück. Dieses Szenario zeigt, dass das ILM zu falschen Anreizen im Kreditgeschäft führt, welche sich volatil auf das Jahresergebnis der Banken auswirken können. Ob dies mit dem Ziel der externen Rechnungslegung, der Vermittlung eines „true and fair view“, vereinbar ist, bleibt fraglich.

3

Dynamic Loan Loss Provisoning

Auf internationaler Ebene werden seit einigen Jahren neue Modelle zur Abbildung von Ausfallrisiken diskutiert, deren Fokus in einer Glättung des Ergebnisausweises von Banken liegt. Zu diesen, bisher eher methodisch als im Hinblick auf die Umsetzung in die aktuelle Bilanzierungspraxis diskutierten Modellen zählt das Dynamic Loan Loss Provisioning (DLLP).12 Im Folgenden wird deshalb untersucht, ob das DLLP diese Erwartungen erfüllen kann und in welcher Form eine Umsetzung in handelsrechtlicher und internationaler Bilanzierung möglich ist. 3.1 Konzeption und Zugangsbewertung Die Konzeption des DLLP (deutsch: „Kreditausfallrückstellung“) zielt auf die Aufschiebung der Erfolgswirkung aus der Kreditrisikoprämie und damit auf eine Glättung des Ergebnisausweises der Banken. Erreicht werden soll dies durch die Orientierung am erwarteten Verlust (expected loss), indem erwartete Ausfälle bereits im Zugangszeitpunkt des Kredites Berücksichtigung finden.13 Die Zugangsbewertung von Forderungen14 erfolgt dabei sowohl nach der handelsrechtlichen als auch internationalen Bilanzierungskonventionen zunächst wie üblich. Im Unterschied zur bisherigen Vorgehensweise wird jedoch zu Beginn der Kreditlaufzeit eine zusätzliche Rückstellung für erwartete Ausfälle gebildet, in die die während der Kreditlaufzeit der auf die Risikoprämie entfallende Teil des Kreditzinses eingestellt wird, anstatt ihn sofort als Ertrag zu vereinnahmen. Die Rückstellung fungiert somit als eine Art „Puffer“ für tatsächliche Kreditverluste in den Folgeperioden, die dann erfolgsneutral ver12

Vgl. BaFin (Geschäftsbericht 2001), S. 19; ECB (Fair Value, 2001), S. 4.

13


14

Die Betrachtungsebene bildet beim DLLP grundsätzlich ein Forderungsportfolio.


245

rechnet werden können. Hierdurch wird die gewünschte Glättung des Periodenergebnisses erreicht, das nicht wie bisher, um die diskret anfallenden tatsächlichen Verluste gekürzt wird, sondern stetig durch die Nicht-Vereinnahmung der Risikoprämie, die der Rückstellung für erwartete Ausfälle zugeführt wird, vermindert wird.15 3.2 Folgebewertung Leistet der Kreditnehmer in den Folgeperioden regelmäßig die vertraglich vereinbarten Zahlungen und bestehen keine objektiven Hinweise auf einen Kreditausfall, sammeln sich die Kreditrisikoprämien in der Rückstellung an.16 Da somit frühzeitig Risikodeckungsmasse im Unternehmen gehalten und nicht auf den Eintritt eines Kreditausfalles gewartet wird, können in diesem Fall in den Folgeperioden die anfallenden Wertminderungsaufwendungen erfolgsneutral mit der anteiligen in der Rückstellung „angesparten“ Kreditrisikoprämie verrechnet werden.17 Hierdurch werden allein die Auswirkungen der Abschreibungen auf die Forderungen und damit den Ergebnisausweis in der GuV neutralisiert, die Bewertung der (abzuschreibenden) Forderungen in der Bilanz bleibt hiervon unberührt. 3.3 Anwendungsbeispiel Die Auswirkung des DLLP auf das Periodenergebnis einer Bank soll im Folgenden anhand von zwei Simulationen veranschaulicht werden. Die Ausgangssituation stellt sich wie folgt dar: Die „Fisher-Jubilee Bank“ besitzt ein Kreditportfolio mit insgesamt 1.000 Einzelengagements. Im Rahmen der Zugangsbewertung wurde dieses Kreditportfolio mit Mio. EUR 500 bewertet. Jeder Kredit hat eine Laufzeit von 5 Jahren und unterliegt einer Nominalverzinsung von 7 % p.a. Der Nominalzins setzt sich zusammen aus Refinanzierungskosten von 4 % und einer Kreditrisikoprämie von 2 %. Der jährliche Nettozinsertrag beträgt somit, inklusive Kreditrisikoprämie, 3 %. Die tatsächlichen Kreditausfälle der Folgeperioden liegen in den ersten beiden Jahren bei 0 %, gefolgt von 2 %, 6 % und 2 % in den Jahren 3-5.18 Tabelle 1 zeigt, dass die derzeitige – sowohl dem HGB als auch den IFRS entsprechende19 – Bilanzierungspraxis zu Ergebnisschwankungen aufgrund der unterschiedlichen Periodenauswirkungen von Kreditrisikoprämie und Wertminderungsaufwand führt, da der Zinsertrag inklusive Kreditrisikoprämie nach 15


16


17


18

Beispiel in Anlehnung an: Mann, F. / Michael, I. (Provisioning, 2002), S. 131.

19


246


Tabelle. 1. Simulation 1 – Bewertung nach dem Incurred Loss-Modell Jahr

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Bilanz (in Mio. €) Forderungen Wertberichtigungskonto / Einzelwertberichtigungen Nettobuchwert der Forderungen GuV (in Mio. €) Nettozinsergebnis Wertminderungsaufwand GuV-Effekt

Tabelle 2. Simulation 1 – Dynamic Provisioning Jahr

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0

0

-10

-30

-10

Auflösung Rückstellung für erwartete Ausfälle

0

0

10

30

10

GuV-Effekt

5

5

5

5

5

Bilanz (in Mio. €) Forderungen Wertberichtigungskonto / Einzelwertberichtigungen Nettobuchwert der Forderungen Rückstellung für erwartete Ausfälle GuV (in Mio. €) Nettozinsergebnis Zuführung Rückstellung für erwartete Ausfälle

dem Grundsatz der Periodenabgrenzung („matching principle“) vollständig in der jeweiligen Periode vereinnahmt wird, während die Wertminderungsaufwendungen nach dem Incurred Loss-Modell erst bei Bekanntwerden des Ausfallereignisses in den Perioden 3-5 erfolgsmindernd erfasst werden. Tabelle 2 stellt die gleiche Situation unter Anwendung des DLLP dar. Die Kreditrisikoprämie wird jährlich in die Rückstellung für erwartete Ausfälle ein-


247

Abb. 2. Simulation 1 – Vergleich GuV-Effekte

gestellt. Diese Rückstellung baut sich in den ersten beiden Jahren auf und dient in den Jahren 3-5 als Risikopuffer für Kreditausfälle. In der GuV wird der Nettozinsertrag um die Zuführung zur Rückstellung für erwartete Ausfälle, in Höhe der Kreditrisikoprämie, gekürzt. Dies erlaubt es, bei Eintreten des Schadensereignisses die Wertminderungsaufwendungen erfolgsneutral mit den Rückstellungen zu verrechneten; die Periodenergebnisse werden somit nicht belastet. Der „glättende“ GuV-Effekt von DLLP wird noch einmal sehr deutlich in Abbildung 2 dargestellt. Bei Betrachtung der Simulation wird deutlich, dass der dargestellte GuVEffekt nur eintritt, wenn der erwartete Verlust im Vorfeld verlässlich geschätzt wurde. Übersteigen die tatsächlichen Verluste die zuvor aus Vergangenheitswerten abgeleiteten erwarteten Verluste deutlich, kann dies dazu führen, dass sie durch die gebildete Rückstellung nicht mehr aufgefangen werden können. Dieses Szenario erfasst die nächste Simulation. Die Ausgangsdaten bleiben unverändert. Die tatsächlichen Verluste erhöhen sich jedoch in den Jahren 3-5 auf 3 %,7 % und 4 %. Tabelle 3. Simulation 2 – Bewertung nach dem Incurred Loss-Modell Jahr

1

2

3

4

5

500

500

500

500

500

0

0

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500

500

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450

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15

15

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0

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15

15

0

-20

-5

Bilanz (in Mio. €) Forderungen Wertberichtigungskonto / Einzelwertberichtigungen Nettobuchwert der Forderungen GuV (in Mio. €) Nettozinsergebnis Wertminderungsaufwand GuV-Effekt

248


Tabelle 4. Simulation 2 – Dynamic Loan Provisioning Jahr

1

2

3

4

5

500

500

500

500

500

0

0

-15

-50

-70

500

500

485

450

430

10

20

15

0

0

15

15

15

15

15

-10

-10

-10

-10

-10

Wertminderungsaufwand

0

0

-15

-35

-20

Auflösung Rückstellung für erwartete Ausfälle

0

0

15

25

10

Nicht gedeckter Wertminderungsaufwand

0

0

0

-10

-10

GuV-Effekt

5

5

5

-5

-5

Bilanz (in Mio. €) Forderungen Wertberichtigungskonto / Einzelwertberichtigungen Nettobuchwert der Forderungen Rückstellung für erwartete Ausfälle GuV (in Mio. €) Nettozinsergebnis Zuführung Rückstellung für erwartete Ausfälle

Tabelle 4 zeigt, dass in den ersten drei Jahren das Periodenergebnis trotz geänderter Bedingungen unter Anwendung von DLLP ausgeglichen ist. Im vierten Jahr übersteigen die tatsächlichen Verluste die anteilige Kreditrisikoprämie sowie die gebildete Rückstellung in der Bilanz. In diesem Fall ist der „überschüssige“ Wertminderungsaufwand erfolgsmindernd in der GuV zu erfassen.20 Im Vergleich mit dem aktuellen Ansatz ist das Periodenergebnis unter Anwendung von DLLP dennoch wesentlich konstanter:

Abb. 3. Simulation 2 – Vergleich GuV-Effekte 20



249

3.4 Diskussion Außer im internen Rechnungswesen einiger internationaler Banken findet DLLP als „statistical provision“ auch bei der Banco de España als weitere Methode der Risikovorsorge für latente Ausfallrisiken von Kreditportfolien Anwendung.21 Für die Ermittlung des erwarteten Verlustes bestehen zwei Möglichkeiten: Zum einen können Banken eigene Erfahrungswerte der Vergangenheit verwenden (interner Ansatz), zum anderen wurden aus empirischen Untersuchungen sechs Risikokategorien mit korrespondierenden festen Prozentsätzen entwickelt, die das latente Risiko der Kreditportfolios widerspiegeln sollen (Standardansatz).22 Letztere Vorgehensweise weist einige Ähnlichkeiten zu der im Jahre 1988 aufgehobenen handelsrechtlichen Sammelwertberichtigung auf. Diese hatte dem latenten Ausfallrisiko durch vorgeschriebene Mindestprozentsätze auf deN risikobehafteten Forderungsbestand Rechnung getragen.23 Der wesentliche Unterschied zum statistical bzw. dynamic provisioning lag im statischen Charakter der Sammelwertberichtigungen; „sie sind bei Inanspruchnahme eines gewährten Kredits sofort zu bilden, können also nicht allmählich durch Reservierung eines das Bonitätsrisiko abgeltenden Teils der Zinsmarge angesammelt werden“24. Diese Kommentierung von Birck / Meyer ist ein Beleg dafür, dass die Grundkonzeption des DLLP bereits in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts, in denen bereits Hesberg eine Kreditausfallrückstellung für Kreditausfall- und Zinsänderungsrisiken vorgeschlagen hatte,25 zumindest angedacht wurde: Abschließend soll eine mögliche Umsetzung von DLLP in die handelsrechtliche oder internationale Bilanzierungspraxis geprüft werden. Grundvoraussetzung des Konzeptes sind zunächst verlässliche Schätzungen des erwarteten Verlusts.26 Die hinreichende Realitätsnähe der Schätzverfahren ist daher durch regelmäßiges Backtesting sicherzustellen. Geschieht dies nicht, kann eine ggf. zu niedrig angesetzte Kreditrisikoprämie tatsächliche Verluste der Folgeperioden nicht decken. Ein ähnlicher Effekt könnte daraus resultieren, dass DLLP implizit voraussetzt, dass Kreditausfälle erst in späteren Folgeperioden anfallen.27 Würden Kredite bereits in den ersten zwei bis drei Jahren ausfallen, bestünde für die 21


22

Vgl. Fernández de Liz, S. et al. (Credit Risk Provisioning, 2000), S. 10-13.

23

Vgl. Birck, H. / Meyer, H. (Bankbilanz, 1989), S. V 199.

24

Birck, H. / Meyer, H. (Bankbilanz, 1989), S. V 196.

25

Vgl. Hesberg, D. (Risikovorsorge, 1983), S. 531 ff.

26


27

Vgl. Mann, F. / Michael, I. (Provisioning, 2002), S. 131-132. “There would only be a need to make further charge in respect of specific provisions if it was not possible to cover these in a given year from the accumulated expected loss reserve”.

250


Banken keine Möglichkeit, ausreichende Rückstellungen hierfür aufzubauen. Ausfälle würden zwar mit der bereits angesammelten anteiligen Kreditrisikoprämie verrechnet, höhere Kreditausfälle wären jedoch erfolgsmindernd in der GuV zu erfassen. Um diese Ergebnisbelastung zu vermeiden bzw. zu umgehen, könnte ein aktiver Ausgleichsposten gebildet werden. Er würde diejenigen Verluste abbilden, denen kalkulatorisch erst in späteren Perioden vereinnahmte Kreditrisikoprämien gegenüberstehen. Die Aktivierung könnte damit begründet werden, dass bei einem spätern Ausfall die entsprechenden Rückstellungen ausreichend gewesen wären. Allerdings ist aufgrund des Realisationsprinzips fraglich, ob dieser Analogschluss zulässig ist: Es würden zukünftige Erträge zu einem Zeitpunkt aktiviert, zu dem aufgrund des aktuellen Ausfalles sowohl ihre kontinuierliche Vereinnahmung als auch ihre Realisierung überhaupt fraglich sind. Ähnliches gilt, sollten im Rahmen einer Sanierung Zinsen gestundet oder auf sie verzichtet werden. Auch hier würde den Banken die Substanz zur Ansammlung der Rückstellung fehlen. Zwar würde diese Vorgehensweise zu einem geglätteten Periodenausweis führen, die Bildung eines aktiven Ausgleichpostens erscheint jedoch allenfalls als Bilanzierungshilfe vorzugsweise auf Portfolioebene möglich. Hierbei ist zu prüfen, in welcher Höhe künftige Zinsansprüche derzeit realisierbar erscheinen. Bei wertberichtigten Engagements könnte hierzu vereinfachend der Wertberichtigungssatz der Hauptforderung auf die erwarteten Zinszahlungen übertragen werden. Anschließend ist zu analysieren, ob auf Portfolioebene noch eine Risikoprämie vereinnahmt werden kann, oder die künftigen Zinsausfälle diese bereits übersteigen. Aufgrund der ausnahmslosen Beschränkung auf incurred losses wird derzeit auf internationaler Ebene keine Möglichkeit zum Ansatz von Kreditausfallrückstellungen gesehen. In der handelsrechtlichen Rechnungslegung könnte dagegen der Ansatz ggf. analog zur Bildung von Pauschalwertberichtigungen für latente Ausfallrisiken begründet werden.28 Eine mögliche Ermittlung des erwarteten Verlusts für den nicht einzelwertberichtigten Forderungsbestand könnte in Anlehnung an die Regelungen von Basel II erfolgen.29 Basel II erwartet ebenfalls eine Abdeckung aller erwarteten Verluste durch Wertberichtigung im Rahmen der Rechnungslegung.30 Der auf diese Weise errechnete erwartete Verlust könnte als Kalkulationsgrundlage für die Kreditrisikoprämie, die in zu bildende Rückstellung eingestellt werden könnte. Dabei sollte der erwartete Verlust auf Basis des internen Ansatzes errechnen werden, da die festen Vorgaben des Standardansatzes die individuelle Risikostruktur der einzelnen Banken nicht widerspiegeln könnten.31 28


29


30


31

Mann, F. / Michael, I. (Provisioning, 2002), S. 132.


251

Fraglich ist jedoch, ob ein Ansatz einer solchen Rückstellung handelsrechtlich überhaupt zulässig ist. In Frage kämen letztlich nur die „Rückstellungen für genau umschriebene Aufwendungen“ (§ 249 Abs. 3 HGB), die jedoch einem abgelaufenen oder einem früheren Geschäftsjahr zuordenbar sein müssen. Für in künftigen Geschäftsjahren anfallenden Aufwand darf ebenso wie zur allgemeinen Risikovorsorge keine Rückstellung gebildet werden. Auch wenn die künftigen Ausfälle aufgrund ihres Zusammenhanges mit dem Vertragsabschluss in der Vergangenheit diese Voraussetzung erfüllen,32 so sind Aufwandsrückstellungen nach dem Regierungsentwurf des Bilanzrechtsmodernisierungsgesetztes künftig unzulässig.33 Das DLLP-Konzept würde dann im externen handelsrechtlichen Rechnungswesen sowohl am unzulässigen Ansatz eines aktiven Ausgleichspostens als auch am Verbot einer Rückstellung für künftige Ausfälle scheitern.

Literatur Adler, Hans / Düring, Walther / Schmaltz, Kurt (Rechnungslegung): Rechnungslegung und Prüfung der Unternehmen – Kommentar zum HGB, AktG, GmbHG, PublG nach den Vorschriften des Bilanzrichtlinien-Gesetzes, bearbeitet von Forster, KarlHeinz et. al., ADS CD-ROM, Ausgabe 3, 5. und 6. Auflage, Stuttgart, 1995-2001 Birck, Heinrich / Meyer, Heinrich (Bankbilanz): Die Bankbilanz – Handkommentar zum Jahresabschluß der Kreditinstitute, Teillieferung 5, 3. Auflage, Wiesbaden, 1989 Bundesanstalt für Finanzdienstleistungsaufsicht (Geschäftsbericht 2001): Geschäftsbericht 2001 des Bundesaufsichtsamtes für das Kreditwesen, unter (26.02.2008): http://213.198.73.91/jahresbericht/jb01_ba.pdf Bundesministerium der Justiz (BilMoG): Referentenentwurf eines Gesetzes zur Modernisierung des Bilanzrechts (Bilanzrechtsmodernisierungsgesetz – BilMoG), November 2007, unter (26.2.2008): http://www.bmj.bund.de/files/-/2567/RefE%20BilMoG.pdf Fernández de Lis, Santiago et al (Credit Risk Provisioning): Credit growth, problem loans and credit risk provisioning in spain, Banco de Espana – Servicio de Estudios, Documento de Trabajo no. 18, 2000, unter (26.02.2008): http://www.bde.es/informes/be/docs/dt0018e.pdf Gebhardt, Günther / Strampelli, Stefano (Kreditrisiken): Bilanzierung von Kreditrisiken, Manuskript zum Vortrag vor dem Ausschuss „Unternehmensrechnung“ im Verein für Sozialpolitik, Universität Mannheim, 15.04.2005, unter (26.02.2008): http:// www.unifr.ch/controlling/kolloquium/Gebhardt%20Strampelli%20Kreditrisiken.pdf Hesberg, Dieter (Risikovorsorge): Risikovorsorge durch Kreditausfall- und Zinsänderungsrückstellungen im Jahressbschluß von Banken, in: Kredit und Kapital, 1983, Heft 4, S. 531 Mann, Fiona / Michael, Ian (Provisioning): Dynamic provisioning: issues and application, in: Financial Stability Review, 2002, unter (26.02.2008): http://www.bankofengland. co.uk/publications/fsr/2002/fsr13art6.pdf. 32

Vgl. m.w.N. ADS (Rechnungslegung,1995-2001), § 249 Tz. 203 ff.

33

Vgl. BMJ (BilMoG, 2007), Artikel 1 Nr. 7 b.

Der Wasser-Sektor in Sub-Sahara Afrika und die Bedeutung der Weltbank* Wiltrud Terlau Fachbereich Wirtschaft Rheinbach

Nach jetzigen Projektionen wird Afrika als einziger Kontinent das UN-Milleniumsziel einer ausreichenden Wasserversorgung nicht erreichen. Notwendig ist eine umfangreiche Analyse des Wasser-Sektors der afrikanischen Staaten, um Ursachen zu ermitteln und entsprechende Handlungsempfehlungen abzuleiten. Im Mittelpunkt der vorliegenden Untersuchung steht eine länderübergreifende und -vergleichende Analyse der Kosten, Tarifstrukturen und der Subventionspraxis der Wasserversorgungsbetriebe in Sub-Sahara Afrika. Dazu wird ein entsprechendes Bewertungs- und Benchmarkingsystem aufgestellt, das anhand ökonomischer Leistungsprinzipien und -indikatoren eine unternehmensund sektorspezifische Analyse ermöglicht und darüber hinaus die Voraussetzungen für einen internationalen Vergleich schafft.

1

Einleitung

Eine effiziente Wasserversorgung stellt insbes. die Entwicklungsländer vor große Herausforderungen. Probleme der Umsetzung in vielen afrikanischen Staaten sind insbes. Bevölkerungswachstum, extreme Ressourcenknappheit, Korruption und ineffiziente Institutionen, die eine nachhaltige Entwicklung hemmen und die Armut weiter verschärfen. Seit der Milleniums-Erklärung der United Nations (UN) im September 2000 kommt der besseren Wasserversorgung in den Entwicklungsländern eine besondere Bedeutung zu. Darin verpflichteten sich 189 UN-Mitgliedstaaten die weltweit extreme Armut bis 2015 drastisch zu reduzieren und stellten acht sog. Milleniums-Ziele (Millenium Development Goals, MDGs) mit entsprechenden quantitativ messbaren und überprüfbaren Zielvorgaben auf. Das MDG 7 umfasst die Ökologische Nachhaltigkeit u.a. mit der Zielvorgabe den Anteil der Menschen ohne nachhaltigem *

Die Arbeit entstand im Rahmen eines Forschungssemesters an der Weltbank in Washington, D.C., USA, im Bereich Nachhaltige Entwicklung, Wasser-RessourcenManagement, Sub-Sahara Afrika.

254

Wiltrud Terlau

Zugang zu verbesserten Trinkwasserquellen bis 2015 im Verhältnis zu 1990 zu halbieren.1 Insgesamt befinden sich weltweit rd. 1,5 Mrd. Menschen mit schlechter Wasserversorgung, 23 % davon in Sub-Sahara Afrika. Nach jetzigen Projektionen wird Afrika als einziger Kontinent das Milleniumsziel nicht erreichen. Der Anteil der Bevölkerung mit verbessertem Wasserzugang hat zwar um 7 % zugenommen (1990-2004), ist aber aufgrund des starken Bevölkerungswachstums nicht stark genug gestiegen um die Zielvorgabe bis 2015 zu erreichen. Demnach muss die Anzahl der Personen von 350 Mio. im Jahr 2000 auf 700 Mio. im Jahr 2015 verdoppelt werden, wobei dann immer noch 200 Mio. Personen ohne Trinkwasserversorgung verbleiben. Größte Probleme sind das hohe Bevölkerungswachstum in den Städten, das sich bis 2015 verdoppeln wird, sowie die starke Unterversorgung ländlicher Regionen (durchschnittliche Trinkwasserzugang rd. 45 %, wobei lediglich 20-50 % der Einrichtungen in den ländlichen Gebieten (voll) funktionstüchtig sind, im Vergleich zu den Städten mit 83 %). Staaten mit höherem Trinkwasserzugang sind Senegal (75 %, städtische Versorgung 98 %), Burkina Faso (63 %), Niger (59 %) und mit sehr geringer Wasserversorgung sind Mauritanien (40 %) und DRC (22 %) zu nennen.

2

Die Strategie der Weltbank

Die Weltbank, die die multilateral wichtigste Entwicklungshilfeorganisation ist, schätzt, dass zur Zielerreichung die Investitionen von rd. 15 Mrd. $ auf 30 Mrd. $ verdoppelt werden müssten. Das aktive Portfolio der Weltbank für diesen Bereich beläuft sich auf über 6 Mrd. $. Sie hat ihre Kreditvergaben während der letzten Jahre gesteigert, die sich für das Jahr 2006 auf 1,6 Mrd. $ beliefen, wovon als zweitwichtigster Empfänger rd. 23 % auf Sub-Sahara Afrika (SSA) entfielen, hinter Ost-Asien mit 32 %. Die Weltbank ist damit der bedeutendste externe Finanzier in diesem Sektor.2 Sie unterstützt die Staaten aber nicht nur durch finanzielle Hilfen, sondern auch als eine Art Think Tank und Beratungsinstitut mit technischem und wissenschaftlich-analytischem Wissen. Die Strategie der Weltbank ist es, die Förderung der Investitionen mit Auflagen für eine nachhaltige Wasserpolitik zu verbinden. Die konkreten Operationen umfassen

1

Unter verbesserten Trinkwasserquellen versteht das WHO/UNICEF Joint Monitoring Program (JMP) öffentliche Wasserpumpen, Bohrlöcher, geschützte Grundwasserbrunnen, geschützte Quellen und Regenwasser-Sammelbehälter sowie private Haushaltsanschlüsse.

2

In der Sektor-Abgrenzung der Weltbank werden Trinkwasser- und Abwasserversorgung zusammengefasst.

Der Wasser-Sektor in Sub-Sahara Afrika und die Bedeutung der Weltbank

255

• die Ausweitung des Wasserleitungssystems, um den Wasserzugang zu fördern, • die Förderung dezentraler Strukturen (lokale private Anbieter, nationale private Anbieter, nicht-traditionelle Anbieter), • die Förderung der Servicequalität der Wasserbetriebe sowie des Zugangs, • die Förderung einer sozial ausgerichteten Tarifstruktur, • die Reduzierung der ‚nicht-bepreisten’ Wasserverluste aufgrund technischer oder sonstiger Defekte, • die Etablierung klar definierter Erfolgskriterien, • die Sicherstellung der Zahlung der staatlichen Wasserrechnung, • und die Bereitstellung von technisch / analytischem Wissen.

3

Die AICD Wasser-Studie

Voraussetzung für eine effiziente Hilfe und das Erreichen dieses Milleniumsziels ist eine umfassende und systematische Datensammlung, -aufbereitung und -analyse des Wassersektors in den afrikanischen Staaten. Diese war bis dato nicht vorhanden. Ein solches Informationssystem ist Teil einer umfassenden Infrastruktur-Studie (Africa Infrastructure Country Diagnostic, AICD) für die Bereiche Wasser, Energie, Transport und Telekommunikation, die Ende des Jahres 2008 veröffentlicht werden soll und erstmalig umfassendes Datenmaterial zur Verfügung stellt und auswertet.3 Ein Teilbereich wird die AICD WSS (Water and Sanitation Sector) Survey Database sein, die ländervergleichende Daten für den afrikanischen Wassersektor zur Verfügung stellen soll. Die Daten wurden während der ersten sieben Monate 2007 von speziell in die Länder entsendeten Consultants gesammelt und enthielten institutionelle, technische, operationelle und finanzielle Informationen. Diese Datenbasis wird die aktuellste und umfassendste Wissensbasis über den afrikanischen Wassersektor zur Verfügung stellen. Die Datenverfügbarkeit war und ist das größte Problem. Trotz Datensammlung direkt vor Ort lagen Informationen bis Mitte September 2007 für lediglich 60 % der SSA-Staaten vor, und dann auch nur für den städtischen Bereich und mehr oder wenig vollständig auch nur für die die Jahre 2004 und 2005. Insgesamt werden 27 afrikanische Staaten mit insgesamt 52 Wasserbetrieben erfasst4: 3

4

Die AICD-Studie wird durchgeführt von der Weltbank im Auftrag der African Union, der NEPAD, des Regional Economic Comitee, der African Development Bank und wichtiger Infrastruktur- Kreditgeber. Hierbei handelt es sich entweder um nationale oder um die regional wichtigsten Unternehmen.

256

Wiltrud Terlau

Benin, Burkina Faso, Cameroon, Cape Verde, Chad, Cote d’Ivoire, DRC, Ethopia, Gabon, Ghana, Guinea Bissau, Kenya, Lesotho, Liberia, Madagascar, Malawi, Mozambique, Namibia, Niger, Nigeria, Rwanda, Senegal, South Africa, Sudan, Tanzania, Uganda, Zambia. Die Datenbasis kann jedoch als repräsentativ betrachtet werden, da diese Staaten ungefähr 85 % des Bruttoinlandsproduktes, der Bevölkerung und der Infrastrukturhilfen nach SSA ausmachen.5

4

Etablierung eines Bewertungs- und Benchmarkingsystems

Ziel ist es, ein Bewertungs- und Benchmarkingsystem zu schaffen, dass die Kosten, die Tarifstruktur sowie die Subventionspraxis der afrikanischen Wasserversorgungsbetriebe mit Hilfe von Leistungsindikatoren bewertet. Eine Tarifstruktur sollte folgenden Leistungsprinzipien genügen: • Kostendeckung Hierbei sollten sowohl die Preise und Kosten für den Wasserverbrauch wie auch für den Wasseranschluss einbezogen werden. • Ökonomische Effizienz Eine effiziente Tarifstruktur sollte die Wasser-Verschwendung verhindern und die ‚wahren’ Kosten des Wassers berücksichtigten. • Fairness Die Konsumenten sollten für den gleichen Service die gleichen Gebühren zahlen.

• Bezahlbarkeit / Leistungsfähigkeit Die privaten Haushalte sollten in der Lage sein, für ein substantiell notwendiges Wasservolumen aufkommen zu können. Nach der Abgrenzung der World Health Organisation (WHO), werden für die Wasserausgaben als Referenzpunkt 5 % des Familien-Einkommens als zumutbar gewertet, um die substantiellen Wasserbedürfnisse zu befriedigen. Der substantiell notwendige Wasserbedarf wird international unterschiedlich definiert. Die WHO setzt als substantiell notwendig ein Minimum von 25 Liter pro Person und Tag. Die Water Utility Partnership setzt für einen 5Personen Haushalt substantiell notwendig einen Wert von 4 m3 und maximal 40 m3 pro Monat an, d.h. durchschnittlich 10 m3 pro Monat (entspricht 60 Liter pro Person und Tag). Die Gewährung der Subventionen sollte nach folgenden Prinzipien erfolgen: 5

Sofern neue Finanzierungsmittel zur Verfügung gestellt werden, soll die AICDStudie ausgeweitet und fortgeführt werden.


257

• Notwendigkeit eines substantiellen Bedarfs Die privaten Haushalte sollten keinen unverhältnismäßig hohen Anteil ihres Einkommens für Wasserleistungen ausgeben (WHO: weniger als 5 %). • Zielgerechtigkeit und Zielgenauigkeit Beispielsweise gilt die Frage zu beantworten, ob die Subventionen tatsächlich den Bedürftigsten zu Gute kommen. • Geringe administrative Kosten • Vermeidung negativer Anreize Negative Anreize wären beispielsweise Wasserverschwendung, Nutzung ‚privater’ Brunnen statt des öffentlichen Wasserangebots, Entstehung von ‚copying costs’ aufgrund schlechter Servicequalität, wie z.B. Kauf von Speichertanks oder Konstruktion von privaten Bohrlöchern, um dem nur mehrstündigen Wasserangebot pro Tag entgegen zu wirken.

5

Ergebnisse

Im Vordergrund der Analyse stehen insbes. die Ziele der Kostendeckung der Betriebe einerseits und des Leistungsvermögens der Bevölkerung andererseits. Leistungsindikatoren sind z.B. unterschiedliche Niveaus der Kostendeckungsbeiträge, durchschnittlicher Kostendeckungspreis, durchschnittlicher Wassertarif, Schuldendienstquote und prozentualer Anteil der Arbeitskosten an den Betriebskosten. 5.1 Kosten Die Kosten des Wasserservice beinhalten einerseits die anfänglichen Infrastruktur und Anschlusskosten (fixe Kosten) und andererseits die Betriebs- und Instanthaltungskosten (variable Kosten). Da in vielen Entwicklungsländern die tatsächlichen Kosten, insbes. die Kapitalkosten nicht verfügbar sind, wird zur Vereinfachung für die Bewertung der Kostendeckungsbeiträge der WasserTarife Referenzwerte festgelegt: für die variablen Kosten ein Wert von 0,40 $/m3, für eine zusätzliche teilweise Abdeckung der Kapitalkosten einen Referenzwert von 0,8$/m3, und für die Vollkostendeckung (einschl. Kapitalkosten) ein Schwellenwert von 0,90 $/m36. Die durchschnittlichen Betriebs- und Instanthaltungskosten in SSA sind im Vergleich zu anderen Regionen mit 0,6$/m3 sehr hoch mit der Folge entsprechend höherer Tarife. Werden jedoch die relativ reichen Länder Süd Afrika, Cape Verde und Namibia außen vorgelassen, reduzieren sich die durchschnittlichen Kosten auf 0,43$ pro m3 und sind nahe dem oben erwähnten Referenzwert von 0,4$ pro m3. 6

Global Water Intelligence (GWI) 2006.

258

Wiltrud Terlau

5.2 Tarifstruktur Die meisten afrikanischen Staaten haben einen zweigeteilten Wasser-Tarifstruktur: eine feste verbrauchsunabhängige Grundgebühr (z.B. bestimmt durch den Umfang der Rohre, Ort, Anzahl der Räume, technisch bedingten Wasserverlusten, Einnahmeverlusten aufgrund ungenügender Zahlungen oder nicht gemessenen Wasserverbrauchs) sowie eine verbrauchsabhängige Gebühr, die entweder einheitlich pro m3, steigend lineare Tarife oder (fallende / steigende) Block-Tarife aufweist. Der verbrauchsabhängige Tarif hat in der Regel die Form eines steigenden Block-Tarifs, so dass die Einheitspreise in den Blöcken mit geringerem Wasserverbrauch geringer sind als die Preise in den Blöcken mit höherem Verbrauch.7 Die Annahme dieser gewählten TarifStruktur der meisten Wasserversorgungsbetriebe in SSA ist, dass Haushalte mit geringem Einkommen einen geringeren Wasserkonsum haben, sie somit in den gering bepreisten Wasserblock fallen und der Wasser-Service für bedürftige Haushalte bezahlbar wird. In den meisten Entwicklungsländern sind die Tarife des ersten Blocks sozial induziert, so dass den bedürftigsten Haushalten zumindest ein Minimum an verbessertem Wasser zu geringen Preisen zur Verfügung gestellt wird. Der durchschnittliche Preis beträgt in diesem Segment 0,31 $ pro m3, wobei die meisten Staaten (rd. 45 %) südlich der Sahara einen Wert geringer als 0,20$ pro m3 aufweisen; Süd Afrika, Cote d’Ivoire und Mozambique stellen Wasser im ersten Block sogar unentgeltlich zur Verfügung; Cape Verde mit 2,70$ und Windhoek (Namibia) mit 0,80$. Viele afrikanische Betriebe erreichen selbst im höchsten Block-Tarif, bei denen erwartet wird, dass sie zumindest die marginalen Kosten des Wasserangebots abdecken, keine Vollkostendeckung. Lediglich ein Drittel der afrikanischen Wassertarife liegen oberhalb von 0,8$ bis 1$ pro m3, mit den höchsten Preisen oberhalb von 2$/m3 in Namibia, Süd Afrika und Cape Verde. Die Grundgebühr liegt zwischen 2-4$/m3. Der durchschnittliche Tarif in Sub-Sahara Afrika liegt bei einem durchschnittlichen Wasserbedarf von 10 m3 bei 0,49$/m3, mit dem Ausreißer Cape Verde, die ihr Wasser entsalzen müssen und somit auf einen Preis von 3$ pro m3 kommen. Schließt man Letzteren aus, beläuft sich der durchschnittliche Tarif auf 0,43$ pro m3 und ist damit vergleichbar mit einem Wasserverbrauch von 15 m3 in Latein-Amerika mit 0,41 $/m3, liegt aber deutlich höher als in anderen Regionen dieser Welt (Osteuropa 0,13$/m3, Mittlerer Osten 0,37$/m3, OstAsien 0,25$/m3 und Süd-Asien 0,09$/m3); im Vergleich dazu die Industriestaaten mit 1,04$/m3.

7

Die Anzahl der Blöcke reicht von 1 (einheitlicher verbrauchsabhängiger) Tarif bis zu sieben Blöcken; durchschnittlich sind drei Blöcke in der Wassertarifstruktur zu beobachten.


259

5.3 Kostendeckungsbeiträge Lediglich 37 % der Versorgungsbetriebe erzielen mit ihren Tarifen bei einem durchschnittlichen Wasserbedarf von 10 m3 einen positiven Deckungsbeitrag (Deckung der Betriebsausgaben). Außer die Betriebe aus den reichen Ländern, Süd Afrika, Cape Verde und Namibia, mit über 1$ pro m3 erfüllt keiner der SSA-Staaten das Kriterium der Vollkostendeckung noch der zumindest teilweise zusätzlichen Abdeckung der Kapitalkosten. Die Kostendeckungsbeiträge sind je nach zugrunde gelegtem Konsumniveau unterschiedlich. Für den als substantiell angenommenen notwendigen Wasserbedarf von 4 m3 wie auch für den maximalen Wasserkonsum von 40 m3 liegen die Tarife durchschnittlich mit 0,61 $ bzw. 0,65 $ pro m3 (ohne den Ausreißer Cape Verde bei 0,51$ bzw. 0,50$) höher als für den durchschnittlichen Verbrauch von 10 m3, so dass sich die Anzahl der Wasserversorgungsbetriebe, die einen positiven Kostendeckungsbeitrag erreichen auf 56 % bzw. 64 % erhöht. Somit tragen die Haushalte am unteren und oberen Konsumniveau stärker zur Kostendeckung der Wasserversorgungsbetriebe bei als der durchschnittliche Verbraucher. 5.4 Subventionspraxis In den meisten Ländern erfolgt die Festsetzung der Tarifstruktur unter Einbeziehung expliziter und impliziter Subventionen. Jedoch fehlen umfassende Informationen über die Höhe der expliziten Subventionen der Wasserversorgungsbetriebe in Afrika durch den Staat auf zentraler, regionaler und lokaler Ebene oder durch internationale Kreditgeber. Die Höhe und Struktur der impliziten (Kreuzsubventionen) Subventionen von einer Gruppe von Konsumenten durch eine andere kann nur durch eine detaillierte Analyse der Tarifstruktur erfolgen. Hier sind Informationen einzubeziehen über die Kreuzsubventionierung zwischen privaten, staatlichen und industriellen Haushalten, zwischen Konsumenten öffentlicher Wasserpumpen und Kunden mit eigenem Wasseranschluss, zwischen städtischen und ländlichen Konsumenten sowie zwischen verschiedenen Sektoren, beispielsweise bieten in Cape Verde, Chad, Madagascar and Ruanda jeweils die gleichen Versorgungsbetriebe Wasser und Elektrizität an. Kreuzsubventionen zwischen Konsumgruppen mit niedrigem und hohem Konsum werden berechnet, indem die Wasserrechnungen (für den 1. Tarifblock eine Art Flatrate für einen festen (minimalen) Wasserverbrauch + die Summe der darüber hinausgehenden jeweiligen Wasservolumina multipliziert mit dem jeweiligen Wasserpreis pro m3) den Kosten (durchschnittliche Kosten multipliziert mit dem jeweiligen Wasserverbrauch) für jedes Verbrauchsniveau gegenübergestellt werden. Sind die Wasser-Rechnungen für niedrigen Konsum geringer als die Kosten und entsprechend für hohen Konsum höher als die Kosten, kann von einer Subventionierung des niedrigen durch den hohen

260

Wiltrud Terlau

Verbrauch ausgegangen werden. Die Festlegung einer solchen sozialen Tarifstruktur durch die Anbieter, liegt die Annahme zu Grunde, dass Haushalte mit hohem Einkommen einen höheren Wasserverbrauch haben, so dass niedrige Einkommensgruppen von den Kreuzsubventionen profitieren und somit die Subventionierung zielgerichtet und zielgenau erfolgt.

6

Kritische Betrachtung und Handlungsempfehlungen

Die Bewertung der Tarifstruktur und Subventionspraxis der Wasserversorgungsbetriebe in Staaten südlich der Sahara anhand der Leistungsprinzipien und -kriterien führt jedoch zu folgender Kritik: Empirische Studien bezweifeln einen signifikanten Zusammenhang zwischen niedrigem Einkommen und niedrigem Verbrauch, so dass die Ärmsten nur unvollständig von einer (Kreuz)subventionierung profitieren.8 Weiterhin kommen die Subventionen nur den privaten Haushalten zu Gute, die über einen eigenen Wasseranschluss verfügen. Ausgeschlossen werden Personen die ihr Wasser beispielsweise aus öffentlichen Wasserpumpen oder von privaten Verkäufern außerhalb der Wasserbetriebe beziehen. Haushalte werden ebenfalls von der Subventionierung ausgeschlossen, wenn sie sich einen Anschluss teilen und somit über das höhere Verbrauchsniveau einen höheren Tarifblock erreichen und mit entsprechend höheren Preisen pro m3 belegt werden. Oder das Wasservolumen, das der 1. Tarifblock mit einer ‚Flatrate’ mit niedrigsten Preisen belegt, ist so groß, dass einerseits kein Anreiz zum sparsamen Umgang mit der Ressource Wasser entsteht und andererseits nicht nur die bedürftigsten Haushalte davon profitieren. Auch wird somit geringerer Verbrauch mit einem effektiv höheren Preis pro m3 belastet wird als der höhere Konsum. D.h. die Leistungsprinzipien der Ökonomischen Effizienz und der Fairness werden nicht erreicht. Weiterhin liegt der Konstruktion einer linear steigenden Blockstruktur, die Annahme zugrunde, dass ein linearer Zusammenhang zwischen Kosten und Angebotsmengen besteht. Darüber hinaus ist in vielen Ländern die eigentliche Hürde, nicht die regelmäßigen Wasserrechnungen, sondern die Kosten für den Wasseranschluss, die für die Haushalte mit geringem Einkommen unverhältnismäßig hoch sind, was beispielsweise durch die schwierige Zugänglichkeit oder die Entfernung des Haushalts verursacht ist.9 Insgesamt operieren afrikanische Wasserversorgungsbetriebe mit relativ hohen Tarifen, ohne eine Kostendeckung zu erreichen. Zudem genügt die 8

Komives et al. 2005, Wodo et al. 2007.

9

Die tatsächlichen Anschlusskosten fallen sogar noch höher aus, wenn neben der Anschlussgebühr auch Kosten für den Rohranschluss zur nächsten Straße (ärmere Bevölkerungsgruppen leben häufig weiter entfernt auf schwer unzugänglichem Gelände), Wiederherstellung der Straße, Kauf der Wasseruhr oder sonstige Kosten hinzu kommen.


261

Tarif-Struktur in Verbindung mit den hohen Kosten des Anschlusses nicht den Zielen der Effizienz und Fairness. Das macht das Erreichen des MilleniumsZiels mit zusätzlichen Netzverbindungen für neue Konsumenten und verbessertem Wasserservice umso schwieriger. Statt Subventionierung des Wasserverbrauchs könnte eine direkte Förderung des Wasseranschlusses eine Lösung sein, die bereits in einigen SSALändern praktiziert wird. Investitionskosten und Anschlusskosten könnte vom Staat finanziert werden, um somit Anbieter und Verbraucher zu entlasten und ein funktionsfähiges und effizientes Versorgungssystem zu gewährleisten. Zusätzlich könnte ein abgegrenztes eigenes Tarifsystem für die ärmste Bevölkerung eingeführt werden, um die Zielgenauigkeit der Subventionen zu erhöhen. Darüber hinaus könnten öffentliche Wasserpumpen eine Alternative zum privaten Wasseranschluss sein; der durchschnittliche Tarif der afrikanischen Einrichtungen beträgt hier 0,30 $/m3 und liegt damit unterhalb der Tarife für private Wasseranschlüsse. Jedoch fallen gerade in dichten Vorstadtgebieten die informellen Preise deutlich höher aus. Eine stärkere Dezentralisierung der Wasserversorgung bis hin zu privaten Anbietern könnte ebenfalls eine verbesserte Wasserversorgung erzielen.

Literatur Global Water Intelligence (GWI); Foster V, Yepes G (2006): Is Cost Recovery a Feasible Objective for Water and Electricity? The Latin America Experience, Policy Research Working Paper 3943, The World Bank, Washington (ed), D.C., USA. Komives T, Foster V, Halpern W, Wodon Q (2005): Water, Electricity and the Poor, The World Bank, Washington (ed), D.C., USA. Wodon Q, Angel-Urdinola S, Backiny-Yetna L, Barnejee S, Estache M, Foster V, Tsimpo R, (2007): Water Tarifs, Alternative Service Providers and the Poor, Case Studies of Sub Sahara Africa, The Wold Bank (ed), Washington D.C., USA.

Der Sozialkonstruktivismus als epistemologische Grundposition in der angewandten Management- und Organisationsforschung Marc Ant Fachbereich Wirtschaft Rheinbach

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Radikaler Postmodernismus

Ausgangspunkt unserer Überlegungen ist die Feststellung, dass die Legitimierung moderner Formen des Wissens mit dem Verlust von legitimierenden Metaerzählungen einhergeht. Diese Feststellung bezieht sich nicht nur ganz allgemein auf die klassischen Geistes- und Sozialwissenschaften, sondern auch konkret auf die angewandte Management- und Organisationsforschung. Traditionell werden diese untergeordneten Diskursarten durch den übergeordneten Diskurs der Aufklärung legitimiert und unterwerfen sich dem Diktat der Rationalität des Modernismus (Ant 2004). Dieser Position widersprechend hat der französische Philosoph JeanFrançois Lyotard (1979) darauf hingewiesen, dass es nicht länger möglich und vertretbar sei, das wissenschaftliche und philosophische Wissen durch große Erzählungen wie die des Fortschritts, der Aufklärung, der Emanzipation des Menschen oder der Einheit eines weltumspannenden Sinns zu legitimieren. Er spricht vom „Triumph des Dissens über den Konsens“ und vom „Ende der großen Erzählungen“. Diese sogenannten großen Erzählungen haben aus Gründen der historischen Entwicklungen während des 20. Jahrhunderts ihren hegemonialen Anspruch nach universeller Gültigkeit verloren, so dass durch deren Ende schlussendlich die Pluralität und die Parallelität der Diskurse an deren Stelle getreten ist (Welsch 1988, 1993). Das Bestreben aller großen Diskurse oder Ideologien, die versprechen, die Welt zu erklären und den Einzelnen zu leiten, wie die Psychoanalyse oder der Marxismus, ist daher abzulehnen. Gleichzeitig bedeutet diese Betrachtungsweise auch eine Ablehnung einer visionären, zukunftsgerichteten Fortschritts- und Technikgläubigkeit, die zum Verlassen einer als unzureichend und mangelhaft eingestuften Gegenwart aufruft, um den Menschen mit einer Zukunftsverheißung zu ködern. Lyotard

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Marc Ant

(1983) weist in diesem Zusammenhang darauf hin, dass die Suche nach Einheit und Konsens als letztlich terroristisch abzulehnen und die Gerechtigkeit nicht in der Aufhebung des Widerstreits zwischen den Diskursen zu erreichen ist, sondern in der Ermöglichung des gleichberechtigten Nebeneinanders der Lebens- und somit auch der Erkenntnisformen. Dabei besteht die Gefahr der Infragestellung der historisch-universalistischen Perspektive darin, dass neue Ideenbewegungen an deren Stelle treten, die teilweise genauso radikal, exklusiv, deterministisch und global angelegt sind, wie die vormaligen Diskurse. Die Überwindung der Ideologien riskiert durch neue holistische Bewegungen ersetzt zu werden, wie die grün-alternativen, feministischen, moralisierenden oder individualistischen Bewegungen, die gemäß dem Prinzip der Zivilgesellschaft versuchen, durch politische Aktionen Einfluss auf die Entscheidungsprozeduren zu gewinnen. Dies bedeutet für die Wissenschaft deren Ende als singuläre Instanz, als Inbegriff des Universalanspruchs der wissenschaftlichen Methode und des objektivierenden Diskurses, da neben den Fakten an sich sowohl individualistische, bedeutungsrelevante, interpretative als auch ethisch-bewertende Dimensionen hinzukommen, auch wenn dies die Gefahr einer Instrumentalisierung von Wissenschaft für politische Zwecke in sich birgt. Dies bedeutet aber nicht auf Errungenschaften von Wissenschaft zu verzichten, sondern nur die Erweiterung der Perspektiven durch die Negation der Ausschließlichkeit wird angestrebt. Eine solche Betrachtungsweise bedeutet aber weder die Einführung des Prinzips der Beliebigkeiten von Ideen, als eine Art „post-modernes Potpourri“, noch die Untergrabung von Werten, noch die Negation der Effekte der Konsumgesellschaft, sondern die Notwendigkeit, den Menschen selbst, seine Mythen und seine Werte in den Mittelpunkt der Überlegungen und Debatten zu stellen. Dies impliziert auch das Ende eines linearen, auf Fortschritt ausgerichteten Geschichts- und Weltbildes, weil durch das Verschwinden eines allumfassenden Leitmotivs und von übergeordneten Utopien die Menschen wieder dazu veranlasst werden, sich mit dem Hier und Jetzt, mit der Gegenwertigkeit, dem Augenblick, dem Momentanen, dem eigenen Sinn und Sein auseinander zu setzen. Diese Auseinandersetzung entsteht über Strategien der Bewusstwerdung des eigenen Seins und führt zu einem erweiterten persönlichen Selbstbild über das jeder Mensch verfügt. Dabei kommt es auf die radikale Pluralität von Bedeutungskontexten und auf die Ermöglichung von Vielfalt an (radikalen Pluralität und paradoxes Miteinanders von Diskursen, Lukács 1967), ohne dabei auf einen „universal discourse“ (Mead 1967) zurückgreifen zu können, insofern dieser nicht durch die eigene Person legimitiert und auf sie reduziert bleibt. Somit würde der „universal discourse“ auf das Universum des Individuums beschränkt bleiben. Aufgrund dessen kann es auch keine übergeordnete orientierende Instanz geben – weder die Philosophie, noch die Psychologie, noch ein Raum herrschaftsfreier

Der Sozialkonstruktivismus als epistemologische Grundposition

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Kommunikation (Habermas 1991) können dies gewährleisten –, da der Halt, den ein Individuum braucht, um zwischen den verschiedenen und oft inkommensurablen Bedeutungskontexten zu navigieren, nicht durch einen neuen vermittelnden Metadiskurs erfolgen kann. Dies bedeutet für das wissenschaftliche Vorgehen, dass die Reduktion auf eine einzige theoretische Bezugswelt und eine eindimensionale Rationalität nicht mehr als ausreichend angesehen werden kann, um der Vielfalt der beobachteten Realität gerecht zu werden. Es ist ein erhöhtes Maß an Skeptizismus hinsichtlich der wissenschaftstheoretischen Ausgangsprämissen angebracht, da überkommene und traditionelle Autoritäten mit ihren universellen Geltungsansprüchen hinterfragt werden müssen. Auch ist es von Bedeutung, die dualistische Perspektive der Trennung zwischen Subjekt und Objekt aufzugeben, weil sie im Bereich der Sozialwissenschaften als zu reduktionistisch wirkt, obgleich natürlich dadurch ihr Allgemeinheitsgrad vermindert wird. Aber es geht in einer relativistischen Grundhaltung nicht nur um statistisch validierte, allgemeine Aussagen, sondern um Intentionalität und Kommunikation zwischen Subjekt und Objekt mit dem Ziel, Probleme zu lösen und nicht nur neutral zu beobachten (Markard 2000). Das Thema ist also Theorienvielfalt und Interdisziplinarität, und nach Feyerabend: „Theorienvielfalt ist für die Wissenschaft fruchtbar, Einförmigkeit dagegen lähmt ihre kritische Kraft.“, und „Erkenntnis in diesem Sinne ist keine Abfolge in sich widerspruchsfreier Theorien, die gegen eine Idealtheorie konvergieren; sie ist keine allmähliche Annäherung an eine 'Wahrheit'. Sie ist ein stets anwachsendes Meer miteinander unverträglicher (und vielleicht inkommensurabler) Alternativen.“ (Feyerabend 1993, S. 5).

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Gemäßigter Konstruktivismus

In dieser Perspektive gibt es nicht eine Geschichte, sondern viele Geschichten, nicht eine Wissenschaft, sondern viele Wissenschaften, die sich ihrerseits weder auf eine große Supergeschichte noch auf eine allumfassende Konvergenzwissenschaft reduzieren lassen. Das Plädoyer gilt der kulturellen Heterogenität sowie der produktiven Funktion des Dissenses und unterstreicht den Pluralismus, den Relativismus (insbesondere seit der Mathematik Gödels oder der Physik Einsteins), die Heterogenität, die Differenz und den Konstruktivismus erkenntnistheoretischer Positionen, die den externen Beobachter als Subjekt ablehnen und durch die Proklamation des Endes der großen Entwürfe auf die Konstruiertheit des Seins verweisen. Beobachtungen, handele es sich um Wahrnehmungen, Repräsentationen, Vorstellungen oder aber um Experimente und Untersuchungen, gelten daher nicht länger als Objektivierungs-, sondern als Konstruktionsprozesse (v. Ameln 2004). In einer radikalen Perspektive versteht dieser konstruktivistische Ansatz die mentale Verarbeitung als zirkuläres System, das Informationen mehr oder

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Marc Ant

weniger unabhängig von äußerlichen Faktoren verarbeitet und die objektive Wirklichkeit zu einer Unmöglichkeit mutieren lässt (v. Glasersfeld 1995, S. 22). Die Bewältigung komplexer Probleme avanciert zu einer Konstruktion von Vorstellungen und Lösungsansätzen, und es geht nicht um die Legitimation von Handeln in bezug auf übergeordnete Referenzsysteme, sondern um die Auseinandersetzung mit dem Instabilen und der Neukonstruktion. In dieser Hinsicht kann man davon ausgehen, dass die Welt, so wie sie jeder einzelne erlebt und empfindet, ein individuelles kognitives Konstrukt, eine mentale Formation darstellt. Allerdings ist es schwierig sich vorzustellen, dass die Konstruktion der mentalen Formen gänzlich ohne soziale Interaktion erfolgen soll. Im Gegenteil, die Grundposition des gemäßigten, sozial orientierten Konstruktivismus (Gergen 1999) entspricht dem Konzept, dass das Selbst einer Person weder eine integrale Kopie der Wirklichkeit darstellt, noch ohne jeglichen Bezug zur Außenwelt sich entwickelt (wie im radikalen Konstruktivismus postuliert), sondern als konstruierte Resultante unter der äußeren Einflussnahme von generativen, zielgerichteten und begleitenden Lernprozessen entsteht, die durch Maßnahmen wie Trainings, Coachings oder anderen Maßnahmen der Entwicklung von Individuen und Organisationen beeinflusst werden können, so dass in dieser gemäßigten Perspektive eine gesellschaftlich-soziale Konstruktion von Wissen unterstellt werden kann. In dieser Hinsicht finden die angestrebten individuellen und organisatorischen Veränderungsprozesse nicht in einem luftleeren Raum statt, sondern sie sind situiert, partizipativ, anwendungsorientiert, authentisch, multiple-perspektivisch, artikuliert, reflektiert und schlussendlich auch sozial-kontextualisiert, d.h. mit der Außenwelt gekoppelt. Nach diesem Ansatz wird die menschliche Wirklichkeit über das Medium der Sprache in Kommunikationsprozessen sozial konstruiert, so dass die sprachlichen Interaktionen, insbesondere in Managementprozessen, als Anregungen zu verstehen sind, die Interpretationsmöglichkeiten zulassen und die zu veränderten Handlungsprozessen und im Endeffekt zu veränderten Konstruktionen führen. Wie Meixner (1997, S. 19-22) erläutert, sind die individuellen Wirklichkeitskonstruktionen von Menschen zu einem großen Teil „im Diskurs kommunal hergestellte kulturelle Wirklichkeiten“, wobei das Gehirn des Menschen als geschlossenes kognitives System autonom in der Lage ist, diese Wirklichkeiten zu verändern. Daher ist der Mensch fähig, auf Störfaktoren individuell und selbstbestimmt zu reagieren, weil er prinzipiell durch den Prozess der Selbstreflexion einen Perspektivenwechsel von einer zur anderen Person vornehmen kann. Dadurch gelingt es ihm, neue Informationen mit seinen bestehenden Vorstellungen zu vergleichen und eigenständig zu entscheiden, ob er diese miteinbeziehen will oder nicht. Meixner (1997, S. 19-22) führt weiter aus, dass dem Menschen dazu mehrere Muster der Wirklichkeitsprüfung zur Verfügung stehen:


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• „Das narrative Paradigma: Soziale und kulturelle Realitäten spiegeln sich in Erlebnisberichten und Lebensgeschichten von Individuen wider, mit anderen Worten, in der Literatur der jeweiligen Kultur. Sie stellt in ihrer Vielfalt den Fundus zur Erweiterung subjektiver Wirklichkeiten dar. • Das Beobachtungsparadigma: Das Verhalten von Menschen zueinander ist geprägt durch Sprache einerseits und durch nonverbale Signale andrerseits. Zum Leben in einer bestimmten Gesellschaft gehört der konsensuelle Gebrauch sprachlicher und nicht-sprachlicher Verhaltensweisen. Diese gilt es zu beobachten, zu deuten und zu definieren. • Das Introspektionsparadigma: Die an einem Dialog beteiligten Gesprächspartner müssen in die Lage versetzt werden, sich von ihrer Rolle distanzieren zu können, um die Wirklichkeit zu überdenken und ggf. neu bestimmen zu können.“ Aus dieser Perspektive heraus ist das Managementverhalten im Zusammenhang von Organisationsentwicklungsprozessen als ganzheitliches-konstruktivistisches Vorgehen zu verstehen, mit dem Ziel, Aspekte wie Eigenverantwortlichkeit, Selbstreflexivität, Selbsteinschätzung oder auch Kooperation im Zusammenhang des unternehmerischen Handelns in den Vordergrund zu stellen. Gleichermaßen kommen kommunikative-pragmatische, interaktionelle sowie kognitive Ansätze zur Geltung: z.B. Kreativität, Offenheit, Flexibilität, Sensibilität, Handlungsorientierung in einem sozialen Kontext, soziokulturelle Prägung, persönliche und berufliche Lebenserfahrung; Wissen, Motivationen, Einstellungen. Es wird davon ausgegangen, dass management- und organisationsrelevante Phänomene (oder Konstrukte), wie Wissen, Motivation, Einstellungen, Selbstwertgefühl, etc., durch eine aktive und subjektive Konstruktion von Ideen, Vorstellungen und Konzepten entstehen, was in ihrer radikalen Version in der Negation der Existenz der äußeren, realen Welt mündet. In ihrer moderaten Form wird die externe Welt als bestehend angenommen, ohne ihr aber den Status einer objektiven Existenz zuzuerkennen. Sinneswahrnehmungen stellen keine Abbilder einer externen Realität dar, sondern individuelle Konstruktionen sind als Resultat kognitiver Prozesse in den mit den Sinnesorganen vernetzten Hirnregionen zu interpretieren (Gerstenmaier & Mandl, 1995). Allerdings können durch externe Impulse Anpassungsprozesse ausgelöst werden, die zu Zustandsveränderungen führen, die die internen Strukturen zwar beeinflussen, aber nicht gänzlich determinieren. Hierbei ist zu erwähnen, dass u.E. der Konstruktivismus in psychologischen Hinsicht durch eine kognitivistische Dimension ergänzt werden sollte, da in der Tat eine Wechselwirkung zwischen Innenleben und Außenwelt angenommen werden muss. Die Betonung liegt in der Annahme, dass Wissen als individuelle Konstruktion eines aktiven Lerners innerhalb eines sozialen Kontexts entsteht.

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Marc Ant

Dies bedeutet in einer konstruktivistischen Perspektive eine Fokalisierung auf das Erlernen und Reflektieren von „skills and strategies“ (Honebein, Duffy & Fishman, 1991), so dass Management– und Organisationsentwicklungsprozesse einem aktiven und selbstkonstruierten Veränderungsprozess gleichkommen, die durch Anleitung und Begleitung erfolgen, als Unterstützungsmaßnahmen und Impulsgeber, ohne aber die Fähigkeit zu besitzen, den Konstruktionsprozess gänzlich zu bestimmen. Manager und Organisationsentwickler müssen weiterhin die Bereitschaft an den Tag legen, diesen Veränderungsprozess selbst zu initiieren und zu steuern. In dieser Hinsicht wird bei der Arbeit mit diesem Konzept die individuelle und soziale Konstrukthaftigkeit von lebensweltlichen Wirklichkeiten angenommen, insbesondere auch weil die Verschiedenartigkeit der Sichtweisen zwischen Berater und Teilnehmer akzeptiert wird und es somit zur Verwirklichung von innovativen und originellen Problemlösestrategien kommen kann, die den spezifischen Lebenswelten der Teilnehmer gerecht werden (Kleve 2003). Die Rolle des Managers besteht demzufolge darin, Personen durch Verfahren der Aktivierung, der Anregung, der Förderung, also der Kommunikation, sowie durch Metakognitionen zu stimulieren, indem er oder sie Metawissen vermittelt sowie dazu anregt, über die eigenen Denkprozesse und Funktionsweisen nachzudenken (Kaiser & Kaiser 1999). Diese konstruktivistischen Sichtweise soll dazu beitragen, die eigene Beobachtung einer zweiten, expliziten und quasi übergeordneten Beobachtung auszusetzen, um sich darüber klar zu werden, dass die erste Beobachtung relativ und nicht definitiv ist, und sie daher auch anders hätte ausfallen können, so dass es durch die eingeleitete Unterstützung möglich wird, aus der eigenen Gedankengefangenschaft auszubrechen. In dieser gemäßigten oder sozial-konstruktivistisch orientierten Vorgehensweise ist von einer „unglaublichen Veränderbarkeit der Menschen“ (Devilder 2001) auszugehen. Die Prinzipien, die die Autorin für den Bereich der konstruktivistisch orientierten psychotherapeutischen Intervention erläutert, können auch auf den Managementbereich ausgedehnt werden. So z.B. wird erläutert, dass es darum geht, gemeinsam mit den Klienten (Teilnehmern) die Wählbarkeit von Konstrukten klarzumachen, um mit ihnen anhand des Mediums Sprache (schriftlich und mündlich) in einem berufsbezogenen Kontext neue, andere, passendere, hilfreichere, brauchbarere, sinnvollere, nützlichere Konstruktionen zum vorgegebenen Thema zu finden. Es geht also bei dieser Art der managerialen Intervention um die Analyse von Sprach-, Denk- und Handlungsmustern, die nicht dem Status „richtig oder falsch“ unterworfen werden sollen, sondern die zu einer angeleiteten Selbstreflexion über den Grad der Angepasstheit zwischen den eigenen, bisherigen Konstruktionsformen und den neuen sozialen Begebenheiten führen soll. Es geht um die Prüfung der angewandten Konstruktionen, um gegebenenfalls neue Erzählformen hervorzubringen, sie auszuprobieren und sie im Alltag umzusetzen. Durch die globale


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Komponente dieses Ansatzes sollen daher auch kognitive, emotionale und verhaltensbezogene Aspekte mitberücksichtigt werden, um neue Dispositionen gegenüber den bisherigen Betrachtungsweisen einzunehmen. Es geht ferner um die Bewusstseinswerdung der freien Wählbarkeit von Konstrukten und nicht um das Aufzwingen eines Standpunktes, um die Erörterung, Artikulation, Reflexion von neuen Möglichkeiten, von neuen Perspektiven, oder um die Unterstützung und Konkretisierung von bereits bestehenden Projekten. Durch eine Analyse des bestehenden Wissens bezüglich seiner selbst, soll neues Wissen durch die Neukonstruktion und den Ausbau von kognitiven Landkarten erreicht werden, indem neue Informationen, neue Reflexionen und neue Standpunkte an die Person herangetragen werden. Auf diese Art und Weise wird das bestehende Wissen weiter strukturiert und trägt somit zu einer Verbesserung der angewandten Problemlösestrategien bei. Ein solches Setting führt zu einer ausgeprägteren Berücksichtigung individueller Unterschiede und ist geeignet zur Vermittlung komplexer Fähigkeiten, wie z.B. Problemlösungskompetenzen, kritisches, selbständiges, vernetztes und ganzheitliches Denken und Reflektieren sowie zur kritischer Auseinandersetzung mit sich selbst.

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Praxisrelevante Handlungsforschung

Diese erkenntnistheoretische Grundposition entspricht auf der Ebene der praktischen Umsetzung dem Konzept des Action Research oder Handlungsforschung, die von Kurt Lewin nach dem zweiten Weltkrieg entwickelt wurde (Lewin 1951). Die Handlungsforschung entspricht einem Ansatz der empirischen humanund sozialwissenschaftlichen Forschung und unterscheidet sich von experimentellen Forschungsansätzen insofern, dass sie sich nicht als wertneutral gebärdet und den Forscher nicht als externen oder objektiven Beobachter ansieht. Nach Reason & Bradbury (2001) handelt es sich bei der Handlungsforschung um einen demokratischen Prozess, der unter Mitwirkung aller Beteiligten praktische Kenntnisse und Fertigkeiten für zweckdienliche und lohnende zwischenmenschliche Arbeitsformen entwickelt soll. Dieser Prozess verläuft in einem unterstützenden Miteinander aus dem sich die Lösung im historisch richtigen Moment entwickelt. Der Forscher mutiert zum aktiv eingreifenden Teilnehmer im Forschungsprozess, dessen Zielsetzung nicht mehr ausschließlich der Erkenntnisgewinnung dient, sondern eine besondere Strategie zur Lösung von sozialen Problemstellungen mit unmittelbarem Nutzen darstellt. Im Sinne der diskutierten wissenschaftstheoretischen Grundeinstellung des Sozialkonstruktivismus entspricht die Handlungsforschung sehr wohl den Kriterien einer wissenschaftlichen Vorgehensweise. Sie ist als eingreifende, verändernde Forschung zu verstehen, die interdisziplinär, problem-, handlungs- und praxisrelevant ist. Sie zielt darauf ab, sich konstant den wechseln-

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Marc Ant

den kontextuellen Bedingungen und persönlichen Bedürfnissen der Teilnehmer an Forschungsprogrammen anzupassen und benötigt somit einen breit angelegten Handlungsspielraum, um zu einer Prozessoptimierung zu gelangen und um Chancen für neue Lösungen wahrzunehmen. Im Sinne der Negierung des Subjekt-Objekt-Dualismus wird im Zusammenhang der Handlungsforschung die Schranke zwischen Versuchsleiter und Versuchsteilnehmer aufgehoben. Durch diese Vorgehensweise will der Forscher nicht nur objektiv erkennen, sondern verändern, er will aktiv und gemeinsam mit den betroffenen Personen und Organisationen Veränderungsprozesse einleiten und durchführen. Dies geschieht hauptsächlich durch die Erhebung qualitativer Daten, die aber ohne weiteres durch rein empirische Ergebnisse vervollständigt werden können. Daher besteht die forschungstheoretische Absicht dieses epistomologischen Ansatzes nicht vornehmlich darin, wissenschaftliche Erkenntnisse zu erzeugen, sondern aus einer konkreten sozial-politischen Begründung heraus zu handeln. Es geht um die gleichzeitige (aber nicht ausschließliche) Überprüfung von theoretischen Aussagen und die Untersuchung von sozial-politisch relevanten Problemfeldern und Handlungsmustern, die nicht auf einzelne Variablen reduziert, sondern in ihrer Globalität untersucht werden müssen und daher als soziales Feld anzusehen sind. Der theoretische Erkenntnisgewinn steht nicht mehr exklusiv im Vordergrund, sondern es handelt sich um die Entwicklung von umsetzbaren Problemlösungsstrategien. Es geht also bei der Analyse des zu untersuchenden Gegenstands nicht um ein empirisch-positivistisches-objektivistisches Vorgehen à la Auguste Comte (Lemoigne 1999), sondern um eine orientierende Partizipation und eine persönliche Verwicklung des Untersuchenden mit dem Untersuchungsgegenstand. Durch eine aktive Teilnahme am Untersuchungsprozess können nämlich zusätzliche Erfahrungsquellen erschlossen werden, die einem neutralen Beobachter nicht zugänglich sind. Aus diesem Grunde ist es nicht die Ambition dieser Forschungsperpektive, universal gültige Gesetzlichkeiten zu formulieren, sondern spezifische, kontextbezogene und momentane Erkenntnisse zu erlangen, um verbesserte und sozial-politisch relevante Handlungsmuster zu entwickeln. Dieser Ansatz entspricht der Perspektive eines bewussten und aktiven Eingreifens in sozial-politische Zusammenhänge. Die auf empirischer Basis gewonnenen Daten und Erkenntnisse sind daher als Bestandteile eines globalen Prozesses anzusehen, wobei die einzelnen Komponenten zum Entstehen eines Gesamtbildes beitragen sollen. Es erfolgt daraus eine konstante Reflektierung, Revision und Anpassung der eigenen Vorgehensweise, die auf zwei Ebenen angesiedelt ist: eine erste Ebene des analytischen, strukturellen Prozesses und eine zweite Ebene des Reflektierens und des Einarbeitens von Lernerfahrungen in Organisationsprozesse. Dies erfordert von den Teilnehmern an Organisationsentwicklungsprozessen ein hohes Maß an aktiver Mitwirkung, an Selbsterkenntnis und an


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Lernfähigkeit sowie ein hohes Maß an Bereitschaft, die ausgetretenen Pfade zu verlassen und ungewöhnliche Wege einzuschlagen. Streng genommen entspricht dieser Ansatz nicht einer singulären wissenschaftlichen Forschungsmethode, sondern eher einer Forschungsstrategie, die ein Forschungsvorhaben leitet und die Auswahl der methodischen Instrumente bestimmt. Aus diesem Grunde ist es fast unabdingbar, sich aus dem gesamten Instrumentenkasten der empirischen Sozialforschung zu bedienen, um mehrere Aspekte anhand von verschiedenen Analyseinstrumenten zu untersuchen.

Literatur Ameln, v.F. (2004). Konstruktivismus. Tübingen: Francke. Ant, M. (2004). Die Auswirkungen von Kompetenzbilanzen auf das Selbstwertgefühl von Arbeitslosen. Luxembourg: Editions d’Lëtzebuerger Land. Davis, K.E. & Gergen, K. (Eds.). (1985). The social construction of the person. New York: Springer. Devilder, A. (2001). Skizzen einer sozial-konstruktivistischen Psychologie. Bochumer Berichte. Herausgegeben von der Bochumer Arbeitsgruppe für Sozialen Konstruktivismus und Wirklichkeitsprüfung. Heft Nr. 5. März 2001. Feyerabend, Paul (1993). Wider den Methodenzwang. Frankfurt: Suhrkamp. S. 5. Gergen, K. (1999). An invitation to social construction. London: Sage. Gerstenmaier, J. & Mandl, H. (1995). Wissenserwerb unter konstruktivistischer Perspektive. Zeitschrift für Pädagogik, 41, 6, 867-888. Glasersfeld, E.v. (1995). Radical Constructivism: A Way of Knowing and Learning. London: The Falmer Press. Habermas, J. (1991). Erläuterungen zur Diskursethik. Frankfurt/M: Suhrkamp. Honebein, P.C., Duffy, T.M. & Fishman, B.J. (1991). Constructivism and the Design of Learning Environments: Context and Authentic Activities for Learning. in: T.M. Duffy, J. Lowyk & D.H. Jonassen: Designing Environments for Constructive Learning. NATO ASI Series, Series F: Computer and System Sciences, vol. 105. Berlin: Springer. S. 87-108. Kaiser, A. & Kaiser, R. (1999). Metakognition – Denken und Problemlösen optimieren. Neuwied: Luchterhand. Kleve, H. (1999). Konstruktivismus als praktische Theorie sozialer Arbeit. Versuch einer Präzisierung postmoderner Theorie- und Ethikgrundlagen für Disziplin und Profession. Rundbrief Gilde soziale Arbeit, 1/1999, S. 2–17. Kleve, H. (2003). Postmodernes Wissen für die Soziale Arbeit. Soziale Arbeit im Lichte der Postmoderne Jean-François Lyotards. Le Moigne, J.-L. (1999). Les épistémologies constructivistes. 2e éd. corr. Paris: PUF. Lewin, K. (1951). Field Theory in Social Science. New York: Harper. Lukács, G. (1967). Geschichte und Klassenbewußtsein. Amsterdam: De Munter.

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Marc Ant

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Teil 5: Fachbereich Angewandte Naturwissenschaften Rheinbach

Traditionell verstehen sich Fachhochschulen vor allem als Ausbildungsinstitutionen. In den letzten Jahren hat sich ein Paradigmenwechsel vollzogen. Neben die Lehrtätigkeit wurde die Forschung als weiteres Aufgabenfeld der Fachhochschulen definiert. Weiterhin wird durch den Bologna Prozess eine Entwicklung vorangetrieben, die einheitliche Bildungsabschlüsse für Universitäten und Fachhochschulen fordert und die europaweit anerkannt werden sollen. Das bisher gültige Unterscheidungsmerkmal zwischen Fachhochschulen und Universitäten ist in Deutschland nicht mehr aufrecht zu erhalten, alle Hochschule müssen sich zukünftig sowohl in der Lehre als auch in der Forschung eigene Profile geben. Diese Entwicklung ist von Prof. Fischer sehr frühzeitig erkannt worden und die sich daraus ergebenden Konsequenzen hat er mit großem Elan umgesetzt. Die Phase des Aufbaus der Fachhochschule bot in dieser Hinsicht besondere Herausforderungen und Chancen zugleich. Herausforderungen insofern, als zunächst einmal der Lehr- und Studienbetrieb aufgebaut werden mussten. Chancen andererseits, als ein junges und dynamisches Kollegium offener auf diese neuen Anforderungen reagiert. Dabei muss anerkannt werden, dass gerade für Fachhochschulen der Spagat zwischen Lehre und Forschung schwierig ist, macht es doch das hohe Lehrdeputat schwer, genügend Zeit für Forschungsprojekte zu investieren. Umso höher muss daher an dieser Stelle die Leistung der Kolleginnen und Kollegen bewertet werden, die sich beim Auf- und Ausbau der Forschung engagieren. Der Fachbereich Angewandte Naturwissenschaften hat im Kontext der Fachhochschulen ein sehr ungewöhnliches Lehr- und Forschungsprogramm. Zum einen gibt es das Fachgebiet Chemie mit Materialwissenschaften und zum anderen das Fachgebiet Applied Biology Beide naturwissenschaftlichen Fachgebiete sind traditionell eher den Universitäten zuzuordnen. Durch eine Konzentration auf anwendungsorientierte Fragestellungen wurden diese Lehr- und Forschungsgebiete sowohl in der Lehre als auch der Forschung mit fachhochschultypischen Inhalten gefüllt. In dem Fachgebiet Chemie mit Materialwissenschaften werden insbesondere Fragen der chemischen und materialwissenschaftlichen Analytik bearbeitet. Dieser interdisziplinäre Ansatz wird eindrucksvoll in den Artikeln von P. Kusch, W. Fink, D. Schroeder-Obst und V. Obst sowie der Arbeit von G. Knupp P.Kusch, M. Kozupa und M. Majchrzak illustriert. Neben der analytischen Ausrichtung spielen insbesondere Themen aus den angewandten Polymerwissenschaften eine große Rolle. Aus der engen Kooperation zwischen Fachhochschule und Industrie ist die Arbeit von B. Möginger, V. Herrmann und C. Unseld entstanden. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Physikern, Informatikern und Chemikern in der Arbeitsgruppe um P. Kaul fusioniert Daten aus Videokameras mit gassensorischen Daten um damit ein System zur Sicherheitsüberwachung z.B. von Flughäfen zu entwickeln. Durch die Terroranschläge der letz-

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Teil 5: Fachbereich Angewandte Naturwissenschaften Rheinbach

ten Jahre hat dieses Thema eine enorme Bedeutung gewonnen. Die damit verbunden Arbeiten bildeten einen Kern und sind Grundlage und Ideengeber, um den in Deutschland bislang einmaligen Studiengang „Naturwissenschaftliche Forensik“ einzurichten. Die ganze Bandbreite des Fachbereichs wird deutlich, wenn man weiter zu den Arbeiten von E. Tobiasch aus der Stammzellforschung geht. Diese Arbeit zeigt, dass die Forschung an der Fachhochschule auch auf diesem aktuellen und sehr kontrovers diskutierten Gebiet aktiv Beiträge leisten kann. Auch auf dem gegenwärtig sehr aktuellen Forschungsgebiet der Autoimmunerkrankungen arbeiten die Forscher der Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg, wie die Arbeit von A. Singh, M. Blank, Y. Shoenfeld und H. Illges beweist. Diese letzte Arbeit, Resultat einer deutsch- israelischen Kollaboration, sowie die Arbeiten von G. Knupp et al. und P. Kaul demonstrieren eindrucksvoll die internationale Ausrichtung des Fachbereichs. Dieser internationale Charakter des Fachbereichs kommt nicht nur in der Forschung zum Tragen, sondern auch in der Ausbildung. Zum einen wird der Studiengang Applied Biology vollständig in englischer Sprache durchgeführt, und zum anderen verbringt ein großer Teil der Studierenden zumindest ein Semester im Ausland. Damit werden die Studierenden sofort auf einen zunehmend globalisierten Arbeitsmarkt vorbereitet. Die Globalisierung wurde in den Naturwissenschaften schon vor langer Zeit vollzogen. Grundlage der weltumspannenden Scientific Community ist die englische Sprache als universelles Kommunikationsmedium. Dadurch hat sich die zum Teil paradoxe Situation ergeben, dass zumindest in fachlicher Hinsicht Kolleginnen oder Kollegen, die viele tausend Kilometer entfernt sind, oft enger zusammenarbeiten als solche, die Tür an Tür arbeiten. Auf Grund der internationalen Ausrichtung der Naturwissenschaften insgesamt und des Fachbereichs im Besonderen sind die Beiträge des Fachbereichs Angewandte Naturwissenschaften ausschließlich in englischer Sprache gehalten. Die Artikel sind zu einem großen Teil in „peer reviewed journals“ erschienen. Dies unterstreicht den Anspruch des Fachbereichs Forschung auf internationalem Level durchzuführen. Prof. Fischer hat den Prozess, international anerkannte Forschung an dem Fachbereich zu etablieren und auszubauen, begleitet und vorangetrieben. Daher freut sich der Fachbereich besonders ihm heute diese Artikel widmen zu dürfen. Prof. Dr. Ulrich Eßmann, Dekan des Fachbereichs

A Security Assistance System Combining Person Tracking with Chemical Attributes and Video Event Analysis* C. Becher1, G.L. Foresti2, P. Kaul1, W. Koch3, F.P. Lorenz3, D. Lubczyk4, C. Micheloni2, C. Piciarelli2, K. Safenreiter3, C. Siering4, M. Varela3, S.R. Waldvogel4, and M. Wieneke3 1

Department of Applied Natural Sciences

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Department of Computer Science,Università degli Studi di Udine, Udine, Italy

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Department of Sensor Data and Information Fusion, FGAN-FKIE, Wachtberg, Germany

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Kekulé-Institute for Organic Chemistry and Biochemistry, University of Bonn, Bonn, Germany

Timely recognition of threats can be significantly supported by security assistance systems that work continuously in time and call the security personnel in case of anomalous events in the surveillance area. We describe the concept and the realization of an indoor security assistance system for real-time decision support. The system consists of a computer vision module and a person classification module. The computer vision module provides a video event analysis of the entrance region in front of the demonstrator. After entering the control corridor, the persons are tracked, classified, and potential threats are localized inside the demonstrator. Data for the person classification are provided by chemical sensors detecting hazardous materials. Due to their limited spatio-temporal resolution, a single chemical sensor cannot localize this material and associate it with a person. We compensate this deficiency by fusing the output of multiple, distributed chemical sensors with kinematical data from laser-range scanners. Considering both the computer vision formation and the results of the person classification affords the localization of threats and a timely reaction of the security personnel.

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This paper was presented by P. Kaul, UAS Bonn-Rhein-Sieg, at the 11th International Conference on Information Fusion, 2008, Cologne Germany.

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C. Becher et al.

Introduction

Freedom of movement for people as well as freedom of coming together safely in open public events or utilities is vital for each citizen. The defence of this freedom against ubiquitous threats requires the development of intelligent security assistance systems that comprise state-of-the-art surveillance technology and work continuously in time. In our work we demonstrate core functions of an indoor security assistance system for real-time decision support that is based on a heterogeneous sensor suite and multiple sensor fusion techniques. Within this system potential threats are classified, tracked and localized in order to focus the attention of the security personnel. In many security relevant utilities there exist well-defined access regions, e.g. stairways, escalators or gangways. The most efficient way to solve the surveillance task is to focus on these access regions and to continuously monitor and analyze the dynamic events that occur when persons enter the utility. We propose to divide the system into two parts: a video controlled area in front of the access region and a scanner controlled area covering the actual access region (fig. 1).

Fig. 1. Chemical structure of TATP

The video surveillance module provides an event recognition and classification of the events into several alarm levels (fig.1 – top right). In the explicit event recognition approach, the system has an explicit knowledge of the events that must be identified, and once an event is detected it can be properly labelled with a semantic description. The fundamental part of an explicit recognition system is thus an a priori knowledge base, where all the information about the recognizable events is stored, and the system behaves as a “parser'' matching the incoming data with predefined templates found in the knowledge base. Because of the nature of the explicit event recognition task, it is not surprising that most works on this topic are based on stochastic parsers for the identification of known patterns of atomic events, as in the works by Ivanov and Bobick [8], Minnen et al [9] or Moore and Essa[10]. Similar to a parser-based approach is the work of Vu, Brémond and Thonnat [11], even if

A Security Assistance System

279

in their case the language used to express complex events is not a full grammar, but rather a set of sub-events together with temporal and logical constraints on the subevents. Other works are based on more general stochastic models, such as Bayesian networks, as in Hongeng, Nevatia and Brémond [12] or Moënne-Loccoz, Brémond and Thonnat [13]. More recently, in [14] an unsupervised technique for detecting unusual events in a large video set was presented. In our work we focus on event recognition for the purpose of anomaly detection to support the security personnel. When persons enter the actual access region their movements are continuously recorded by multiple rotating laser-range scanners. Input data for the person classification are provided by chemical sensors detecting hazardous materials, such as explosives. However, due to the fact that these sensors have a limited spatiotemporal resolution, an individual chemical sensor is unable to localize hazardous material and to associate it with the persons in the surveillance area. Our system realizes an integrative approach which compensates this deficiency in dynamic scenarios by fusing the output of multiple chemical sensors with the kinematic estimates resulting from multiple person tracking based on the laser data (fig.1 – left). The incoming laser-range measurements can be assigned to the constructed and successively updated tracks in many ways. Thus, the solution of the assignment problem is crucial for every multiple target tracking algorithm. The traditional approaches to multiple hypothesis tracking rely on the complete enumeration of all possible association interpretations of a series of measurements and avoid an exponential growth of the arising hypothesis trees by various approximations (MHT: Multiple Hypothesis Tracking[22], [23], (J)PDAF: (Joint) Probabilistic Data Association Filter [20]). A powerful, alternative approach is represented by Probabilistic Multiple Hypothesis Tracking (PMHT) [25], [27], [28], [31]. Essentially PMHT is based on Expectation-Maximization for handling assignment conflicts. Linearity in the number of targets and measurements is the main motivation for a further development and extension of this methodology. The original formulation of PMHT [25] deals with measurements that are instantaneous observations of the state of a particular model – here: the kinematical model of a person. The problem of associating measurements to targets arises because the particular model that caused a measurement is unknown. Thus PMHT forms an estimate of the unknown model states based on the state observation with uncertain origin. In practical applications, a sensor may be able to get other information besides the state observations. Davey [24] considers the case where the tracking filter has an estimate of the class of the target that caused each available state observation and extended the PMHT for dealing with classification measurements (PMHT-c). A classification measurement is treated as an observation of the assignment of the corresponding measurement. One example for such a measurement is the range profile that occurs in high resolution radar. How-

280

C. Becher et al.

ever, in our security scenario there is no fixed assignment between a position measurement and a chemical output. In this work we will show how PMHT-c can nevertheless be applied for the purpose of person classification. The dashed parts in figure 1 (right) are not yet realized within our real-time demonstrator. They refer to the fusion of the event recognition with the chemical person classification. At the current stage the computer vision module and the person classification are running separately. The remainder of this work is organized as follows: In section II the core components of the proposed security assistance system are introduced. First the computer vision module will be explained. Hereupon we present the state of the art in the development of chemical sensor devices detecting the explosive TATP. In the last part of this section we describe the algorithm that fuses chemical attributes with person tracks and provides the person classification. The classification ability of the algorithm is shown within a simulated scenario. Section III deals with the realization of the demonstrator that was designed to show the operability of the presented concept and to explore the behaviour of chemical sensors. We have to point out that the sensors of section II-B are not able to identify TATP in an open system yet. Our current demonstrator is equipped with metal oxide (MOx) sensors detecting hydrocarbons like fuels, alcohols or solvents. Section IV provides a conclusion and an outlook to our future work.

2

Core Components

2.1 Video Event Analysis The developed computer vision module has been focused on anomalous event detection for human operator support in security-oriented applications. The acquired video sequence is processed in order to infer a plausible semantic interpretation of the scene, in which the scene itself and its sub-components are labelled with semantic information giving a high-level description of the recognized scenario. Our solution provides a first level of computation concerning the extraction of moving objects (blobs) from video streams and the computation of relevant features for event analysis purposes. Moving objects are detected from the background (background modelling and foreground segmentation) and their movements tracked on a 2D top-view map of the monitored scene [15]. Tracking is performed using a Kalman Filter applied on map positions together with a Meanshift based tracking technique on the image plane [16]. The object classification is performed by employing an adaptive high order neural tree (AHNT) classifier [17] that allows to distinguish by two main classes: a) person, b) luggage. At each time instant a set of low level features (i.e. object class, position, trajectory, mean speed, etc.) is extracted and main-


281

tained for any foreground object in the scene. Once all the necessary features have been extracted from the video stream, an approach based on explicit modelling of dangerous events is adopted to describe and understand the activities occurring inside the monitored environment. Two different types of events have been considered: simple events, characterized by the motion (and behaviour) of a single object and composite events, characterized by interactions among multiple objects. In an indoor environment, a simple event is normally represented by a person or a light vehicle moving in the monitored environment. A simple event v is defined over a temporal interval [T s ,T f ] and contains a set of features F = {f1 ,...,fm } belonging to a given object O j observed over a sequence of n consecutive frames as: v (T s ,T f ) = {fk fk ∈ O j , k ∈ [1..m]}

(1)

Composite events are represented by a set of simple events that are spatially and / or temporally correlated. Hence, a composite event is defined over a wide temporal interval as a graph G(V , E ) where the set of vertexes V = {v 1 (T s ,T f ),

...,v n (T s ,T f )} is the set of simple events and the set of edges E is the set of the temporal and spatial associations between simple events. In the proposed solution we restrict the event association to a set of compatible simple events. This is achieved by exploiting an Event Correlation Diagram (ECD) that describes the allowed relations between object types, their states and actions. It therefore defines the possible links between different simple events, even when they are generated by different objects. To generate the ECD, the explicitly defined simple events are considered. For each of these, its possible relations with any other defined simple event are analyzed and, if any exists, a link between the two simple events is added in the ECD [18]. To recognize composite events thus associating them to a predefined list of event of interest we employ a graph matching technique [19]. Each event stored in a graph forest (the database of event of interests) is associated to an alarm level describing the degree of importance of that event in a specific contest. We identified three different alarm levels, in increasing scale of danger. The alarm levels are defined as: a) normal, b) suspicious and c) critical. Figure 2 gives some examples of these video events. The 'normal' level is associated to all those events representing a complete event detected within a scene that does not pose any threat from a security point of view. The 'suspicious' level is associated to all those events that are not necessarily dangerous, but that could lead a human operator to identify the threat if the person classification component of out system raised an alarm concerning the same object. In the specific case, a person waiting in front of the control corridor for more than a predefined time is an example of

282

C. Becher et al.

(a)

(b)

(c)

Fig. 2. Example of video event understanding: (a) typical normal event recognized by the system and presented to the human operator with a green light. A suspicious event (b) has been recognized and signaled to the operator with a yellow light. The operator can look in the log of the events at the bottom of the interface to identify the suspicious entity and investigate more its behavior with respect to the other sensors. Finally a critical event (c) has been recognized and signalled to the operator with a red light. The operator can extract from the event logs the identity of the entity and task other people to deeply investigate.


283

suspicious event, since generally people have no reason to wait before entering the demonstrator. Hence, if this person is inside the corridor when a chemical alarm raises we can assume that he or she belongs to the most probable person to look for. Finally, the 'critical' level is associated to all those events that have been explicitly classified as security threats by the developers of the event knowledge base, and that require an immediate intervention by human operators. Thus, fusing the alarm level raised by the video event analyzer with those raised by the person classifier inside the tunnel would yield more robust information about the current threat level for a human operator. 2.2 Chemical Sensors The detection of explosives or explosive related compounds is a challenging task because most explosives have a very low vapour pressure and do not evaporate enough analyte molecules into air. An exception is TATP (Triacetone Triperoxide) which is known as a homemade explosive often used by terrorists and which has a relatively high vapour pressure. A novel chemical sensor device based on quartz micro balances (QMB) has been developed to trace TATP. Since no exclusive affinity material was found an array of minimum 3 QMB sensors has to be employed providing data which are unequivocally interpreted by PCA. The development of efficient sensor materials on a trace level relies on selective binding of the corresponding substrate by well defined molecular recognition sites or distinct affinities [1]. QMB technology can be used as highly sensitive balance which translates very small mass changes typically in the order of nanograms. According to the Sauerbrey equation the frequency shift of a quartz crystal resonator is directly proportional to the added mass [2], [3]. Since the sensitivity is strongly dependent on the fundamental frequency of such resonators, 200 MHz systems were applied in this project. Interactions between thin organic layers deposited on the surface of such a quartz crystal and analytes in headspace result in a mass increment that lowers the fundamental resonance frequency of the oscillating crystal. An inverse modification of its resonance frequency is readily recorded by standard tools [4]. The vapour pressure of TATP (fig. 3) is at ambient conditions in the range of 68 ppm (Vol) [5].

Fig. 3. Concept of our security assistance system

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C. Becher et al.

Consequently, enough analyte should be available in the atmosphere to trace TATP. A typical bomb accounts to multi-kilogram quantities of TATP mostly carried in open plastic bags. Since the developed QMB device represents a low cost sensor a mass application is possible. Furthermore, the signal of the QMB is provided almost immediately after exposure to analyte and the sensor device recovers quickly upon removal of target. These are all splendid criteria for an employment within our person classification algorithm presented in the next section. Extensive screening studies of naturally occurring as well as synthetic compounds and led to three selective affinity materials that are appropriate for the detection of TATP with respect to common interfering components. The employed affinity materials belong to salts of bile acid, cyclodextrins, and phenylene dendrimers. The latter have a high affinity for TATP and other polar organic analytes, whereas the bile acid interacts with compounds by hydrogen bridges (esp. hydrogen peroxide or water). Cyclodextrin derivatives exhibit a strong interaction with polar organic compounds such as acetone. Immobilization of the affine coating on QMB discs was accomplished by means of the electrostatic spray method [6]. For tapping the full potential of QMB and getting a practical solution the knowledge of the detection limit is necessary. The test setup has to ensure defined test conditions with respect to temperature and analyte concentration. The experimental setup consists of two parts (fig. 4). Part A is a gas mixing unit that creates a well defined gas mixture. Part B consists of an oven, with a multi-sensor array of six QMB inside. Both parts are connected with a short pipe. The feasible TATP concentration range by this method is 3 – 44 ppm (Vol) Principal component analysis (PCA) of the data set yields two dimensional presentation (fig. 5).

Fig. 4. Schematic Drawing of the calibration setup


285

Fig. 5. Principal Component Analysis

The TATP area (orange) is clearly separated from all other competing analytes. An unequivocal detection and identification of TATP was possible even at concentrations as low as 3 ppm (Vol) [7]. However, in the open system TATP cannot be clearly identified yet. 2.3 Combined Person Tracking and Classification We assume that S persons are moving in the surveillance area and are observed by multiple laser-range scanners. The sensors generate a measurement series Z = Z 1:T for a time interval [1 : T ] 1. The sensor output at a scan t consists of the measurement set z t (containing the measurements of all sensors) and of the number of all measurements N t . Measurements z tn ∈ ℜ2 with n ∈ [1 : N t ] are assumed to be Cartesian position data. The task of person tracking consists in estimating the kinematic states χ = χ 1:T of the observed persons (the person tracks). The states x ts ∈ ℜ 4 with s ∈ [1 : S ] comprise position and velocity. Each person moves according to a discrete-linear model [21]. Difficulties arise from unknown associations A = A1:T of measurements to persons. The associations are modelled as random variables atn that map each measurement n ∈ [1 : N t ] to one of the persons s ∈ [1 : S ] by assigning atn = s .

Multiple Person Tracking Probabilistic multiple hypothesis tracking (PMHT) is an efficient method to solve the tracking problem. It works on a sliding data window (also called batch), 1

[1:T] denotes the integral interval from 1 up to T

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C. Becher et al.

and exploits the information of previous and following scans in every of its kinematic state estimates. For each window position, the method of expectation-maximization (EM) [26] is applied to the underlying data. Based on EM, an iterative algorithm can be derived [25]. Let l be the number of the current iteration. Each iteration consists of two steps. Starting with the ExpectationStep (E-Step) we calculate posterior assignment weights p atn = s z tn , x ts (l ) representing the probability that a measurement z tn refers to a person s . The weights are calculated for all scans of the current data window and for all persons with respect to all measurements of a certain scan. Each weight is governed by the distance between a particular measurement z tn and the state estimate x ts (l ) . Hereupon the weights are used to form the weighted sum s z t (l ) of all measurements which leads to one synthetic measurement per person at each scan t. There is another formula for the corresponding synthetic covariance. During the Maximization-Step (M-Step) each person track is updated by means of a Kalman Smoother that processes the synthetic values. This leads to new, improved state estimates x1s:T (l + 1) for each person s. E-Step and M-Step are repeated until the state estimates do not change considerably anymore (convergence). After convergence, the prediction x Ts +1 T is to be calculated for the following window position. When all persons have been processed, the window is shifted by one scan and the iteration process is started for the new window position. Detailed formulae of the PMHT algorithm are presented in [29].

(

)

Incorporating Classification Information: Originally PMHT-c [24] was designed to take advantage of classification measurements to improve data association and state estimation. In the considered scenarios the class observation could be utilized to improve tracking, because for each position measurement the corresponding classification output was known. The author deals with pairs of measurements that consist of a kinematical and a classification part. The target class estimates occur as a by-product. High resolution radar is one example of a system where these classification measurements exist. Range profiles from various azimuth angles form a radar image of the target. The location of primary scatterers can be used to classify the target. In our system there is no information about the assignment of chemical attributes to laser data. To apply PMHT-c we have to consider the scenario in a different way: Also in the security scenario there are pairs of position and classification output but this position is not provided by the lasers. In fact it is given by the chemical sensor placement and output. So referring to the ex-


Fig. 6. Corridor with 5 Chemos (circles) and 2 Lasers (rectangles)

Fig. 7. E-Step (top) and M-Step (bottom) of the classification

287

288

C. Becher et al.

perimental corridor in figure 6 we have five measurement pairs at each scan t. Each of them consists of the chemical sensor position and its classification output. In the following we explain how to associate the chemical outputs with person tracks applying PMHT-c and to find out who is carrying the hazardous material. In an early version of our algorithm [30] we used the installation place of each chemical sensor as its position information. The closer a person passes a chemical sensor the higher is the influence of the reported sensor output with respect the classification of this person. The procedure fails if another person, not carrying an explosive, stays closer to the sensor than the dangerous one. A precise mathematical model of a chemical sensor could yield more useful position information, e.g. an estimated distance of the chemical source based on the amplitude of the chemical signal. In this case the position measurement belonging to a certain classification output lies on a circle whose radius is determined by the value of the signal amplitude (fig. 7). Let p ch denote the position information of the chemical sensor ch ∈ [1 : 5] ( s and t omitted for the sake of simplicity). We denote the classification measurement associated with p ch as otch and let the total measurement vector T z tch := (p ch ,otch ) be the collection of the position (state observation) with its associated classification measurement. The classification measurement is a discrete variable that can take a value from five different classes: green stands for No Alert and yellow, orange, red and dark red symbolize the alert levels from I up to IV ( ≡ low to high). Our problem can be formalized as follows: Given the estimated kinematic states X l of the S persons we want to estimate their classification. The desired information is represented by a so called confusion matrix C = {c is } whereas the entry c is is the probability that person s produces class output i. Starting from these modeling assumptions and observations the PMHT-c Algorithm [24] can be applied. To get PMHT-c, the expectation-step (E-Step) and the maximization-step (M-Step) of the basic PMHT have to be extended by the classification estimates.

Calculate Assignment Weights (E-Step) First we have to calculate the posterior assignment probabilities w tch→ s (l ) . Following [24] we use the update formula w tch→ s (l ) = σ ⋅ N (p ch ; Hx ts (l ),Cov ) ⋅ c o

ch t s

(l ).

(2)

These posterior weights reflect the relevance of a chemical output for a person s in the surveillance area. The posterior assignment weights are mainly


289

governed by the Gaussian N (p ch ; Hx ts (l ),Cov ) which is a measure for the distance between the position information of sensor ch and the current position estimate of person s (fig. 6 – top). H is the observation matrix. The corresponding covariance matrix Cov reflects the uncertainty of the position information and has to be experimentally determined. c o s (l ) is the current estimate of the matrix entry that associates the output of sensor ch with person s. The posterior weights w tch→ s (l ) are calculated for each sensor ch and each person s at each scan of the current data window. ch t

Update Classification Matrix (M-Step) During the M-Step our parameter estimates have to be updated. Besides the parameters for tracking purposes we have to update the entries of the classification matrix. Following [24] this means processing formula (3).

∑∑ (δ (o T

c is (l + 1)

5

ch t

t =1 ch =1

T

− i ) ⋅ w tch→ s (l ))

(3)

5

∑∑ w tch→s (l ) t =1 ch =1

As PMHT-c works on a sliding data window, not only the relevance weights of the current scan are available, but also the whole history inside the time window can be taken into account and evaluated (fig. 7 – bottom). To update the classification entry for a certain alert level 0 {green, yellow, orange, red, darkred} one has to sum up all posterior weights of sensors that indicate this level. The weights have to be normalized with respect to the whole window (eq. 3).

Simulations The classification ability of PMHT-c is shown in a simulation (fig. 8): Two persons are walking from the left to the right entry of the corridor. We calculate the sum of all alert probabilities, that is

∑

IV i =I

c is for a person s and renormal-

ize these sums with respect to the persons (number at the track heads). The dangerous person is marked by a dark gray rectangle. The chemical sensors react according to the Euclidian distance of the person and since we are in a simulated world, the behaviour of the chemical sensors is well understood and absolutely reliable. The sensor model provides a suitable source distance for every chemical output. The solid line of the plots corresponds to the numbers plotted at the head of the tracks. The black dashed line is the value before renormalization and the four coloured dashed-dotted lines show the values of the alert entries in the confusion matrix.

290

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Fig. 8. Simulation – Upper person carries material

3

Design of the Demonstrator

The real-time demonstrator was used for both characterization of the chemical sensor response and demonstration of the operability of the overall concept. We designed it as a corridor containing a U-turn (fig. 9).


291

Fig. 9. Design and interior view of the real-time system

The aisle has a width of 1.89 m, a height of 2.50 m and a total length of 9 m. Ceiling and walls are made of low-emission press board mounted on an adjustable metal frame. The tracking data are derived from three laser-range scanners which are connected to PC1. Two types of chemical sensors are installed: Firstly there are five MOx-sensors which are connected with PC2. They deliver the chemical attributes for the data fusion, i.e. for the test of the PMHT based classification algorithm (sec. II-C). Secondly we installed two

292

C. Becher et al.

QMB-sensors which are run separately on PC3. This setup was used to test the applicability of the currently available QMB-technology (sec. II-B). All sensors are integrated into the air inlet sides of an adjustable air ventilation system (fig. 9). The sucking side consists of one air ventilator Vmax = 1060 m3/h which is connected to four inlet tubes of 100 mm diameter which are 1.36 m above ground. The airflow of the inlets can be adjusted as a whole and separately. On the opposite wall of the air inlets corresponding air blowers (Vmax = 175 m3/h each) are installed. The throughput of each air blower can be adjusted separately and different sizes of nozzles can be attached. The direction of the forced airflow is indicated by the blue arrows (fig. 9 top). Position, size and design of both, air blower and air inlet can be completely altered by adjusting the press board walls accordingly. The video system is mounted on a 4 m long pole approximately 6 m outside of the demonstrator entrance and connected to PC4. For our demonstration purposes we used chemical sensors for hydrocarbons like fuels, alcohols or solvents. The installed metal oxide (MOx) sensors are sensitive devices for the detection of these analytes. The surface resistance of a thin film of metal oxide particles (mostly tin dioxide) decreases if a small amount of the analyte (usually a few parts per million or less) is present in ambient air. The higher the concentration of the analyte the higher is the sensor signal.

Fig. 10. Empirical model of a MOx sensor


293

After processing a multitude of tests we were able to empirically analyze the MOx sensors. Figure 10 shows the averaged sensor signal when a person passes it at five different distances. To get the complete sensor model we made an area interpolation with cubic splines. The plot clearly shows the high delay of about 10 sec at every of the distances ( ≈ 6 sec with ventilation). However, both a reliable determination of the delay and the derivation of the source distance from a given signal amplitude emerged as a hard problem. The values in figure 11 are averaged and they can vary from time to time in an unpredictable way which makes the correct classification difficult. Nevertheless we were able to achieve some good results when the persons were walking well separated (fig. 11).

Fig. 11. Snapshots of the real-time system

294

4

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Summary and Conclusions

We presented the concept and the realization of a security assistance system based on video surveillance and fusion of person tracks with chemical sensor data. A computer vision module provides a video event analysis of the entrance region of the system. Inside the system, the entering persons are scanned by multiple rotating laser devices and the estimated person tracks are fused with the output of multiple chemical sensors detecting hazardous materials. Sensor systems based on quartz micro balances (QMB) with chemically modified surfaces are a powerful method to detect the explosive TATP and other hazardous and volatile analytes. With a sensor array, TATP can be unequivocally identified in a few seconds. However, in the open system TATP cannot be clearly identified yet. Systems which allow the tracing of TATP in an open system are current work. The classification ability of the PMHT-c algorithm could be successfully shown under simulated conditions, i.e. constant delay and functional dependency of source distance and sensor output. Nevertheless, the tests within our real-time environment showed that much more experiments will be necessary to understand the reaction of a chemical sensor and to find a suitable mathematical model. Analyte diffusion, convection and transportation by the ventilation air stream influence the gas concentration and should be taken into account. Furthermore the fusion of the chemical person classification with the video event analysis seems to be a promising approach. It is already included in the concept presented in this paper (fig. 1) and will be a topic of our future research.

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296

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Chemical Structures of Thermal Stable Long-Chain n-Alkyl Amines Used in Corrosion Inhibiting Formulations in Water-Steam and Heating Water Systems in the Power Industry Gerd Knupp1, Peter Kusch1, Marian Kozupa2, and Maria Majchrzak2 1


2

Institute of Heavy Organic Synthesis “Blachownia”, ul. Energetyków 9, Pl-47-225 Kędzierzyn-Koźle, Poland

Gas chromatography with flame-ionization detection (FID) and gas chromatography-mass spectrometry (GC/MS) has been used for structure elucidation of long-chain primary n-alkyl amines after derivatization with trifluoroacetic anhydride (TFAA). Electron impact ionization- (EI) and positive chemical ionization- (PCI) mass spectra of trifluoroacetylated derivatives of the identified nalkyl amines are presented. The corrosion inhibiting n-alkyl amines were applied in the investigation of a new anticorrosive and antifouling formulation for water-steam circuit of energy systems in the power industry. The presented results are part of an EU-funded international collaboration with partners from research institutes and industry from Poland, Lithuania, Romania, France and Germany (EUREKA project BOILTREAT E!2426).

1

Introduction

Traditionally, the most common way to reduce corrosion is to add a corrosion inhibitor to a corrosive system to preserve metals. Corrosion inhibitors are chemical compounds or formulations which, when present in small amounts in an aggressive medium, inhibit corrosion by bringing about changes in the surface condition of the metal [1, 6-7, 17]. These should be low toxic, biodegradable and soluble in aqueous medium. One of the largest group of organic corrosion inhibitors is the class of organic amines. Aliphatic and aromatic amines, mono-, di-, or polyamines and their salts, all are used as corro-

298

Gerd Knupp et al.

sion inhibitors [2]. In agreement with the ideas of green chemistry, new types of corrosion inhibitors should result in reduced use of many of the more toxic aromatic amines / salts. The development and testing under industrial conditions of a new class of long-chain aliphatic mono-, di- or polyamines or their salts as replacement is one of the objectives of an international cooperation with partners from research institutes and industry from Poland, Lithuania, Romania, France and Germany (EUREKA project BOILTREAT E!2426) [3]. As a partner of this R&D-project our group is engaged with the analysis and the fate of these commercially available and patented corrosion inhibitors (e.g. Primene JM-T™, Armeen® HTD, Kotamina®), which are used in boiler water systems in the power industry. Neither the full structure nor details of the degradation of these compounds under vigorous conditions have been studied before. In a previous paper [11] we have reported on a sensitive gas chromatographic method for the identification and quantitative determination of trifluoroacetylated derivatives of tert-octadecylamines Primene JM-T™-type. In the present work we report on the structure elucidation of long-chain primary nalkyl amines of the Armeen® HTD-type (Fig. 1) by gas chromatography and gas chromatography-mass spectrometry. The EI- and PCI- mass spectra of trifluoroacetylated derivatives of these alkyl amines are reported and discussed. These results are part of the further investigation of a new class of anticorrosive and antifouling formulation for water-steam circuit of energy systems in the power industry [3, 9-10, 18]. They are important to understand the processes during its technical use and its ecological and economical impact.

2

Experimental

2.1 Chemicals Armeen® HTD obtained from AKZO Nobel Surface Chemistry (Arnheim, The Netherlands) as well as 1-hexadecylamine (90 %) from ACROS ORGANICS (Geel, Belgium) were used in this investigation. n-Hexane for HPLC (Biosolve B.V., Valkenswaard, The Netherlands), tetrahydrofurane (THF) LiChrosolv for HPLC (Merck), trifluoroacetic anhydride (TFAA) from Macherey-Nagel (Düren, Germany) and 5 % dimethydichlorosilane (DMDCS) in toluene (Sylon CT) from Supelco (Bellefonte, PA, U.S.A.) were used. A mixture of C6 – C44 hydrocarbons in cyclohexane (ASTM D2887 Quantitative Calibration Mix) obtained from Supelco was used to calculate the retention index of each compound. 2.2 Derivatization The derivatization procedure was the same as in our previous work [11].

Chemical Structures of Thermal Stable Long-Chain n-Alkyl Amines

299

Fig. 1. Chemical structures of selected investigated primary long-chain alkyl amines and their trifluoroacetylated (TFA) derivatives: a) 1-aminooctadecane; b) N-(1-octadecyl)-trifluoroacetamide.

2.3 Instrumentation Gas chromatographic analyses were performed using an Clarus 500 gas chromatograph from PerkinElmer Instruments (Norwalk, CT, U.S.A.), equipped with two split / splitless and two flame-ionization detectors (FID). Chromatographic data were processed with TotalChrom Workstation version 6.3 software (PerkinElmer Instruments). GC/MS measurements were made using an ThermoQuest Trace 2000 gas chromatograph (ThermoQuest CE Instruments, Milan, Italy) interfaced to a ThermoQuest / Finnigan Voyager quadrupole mass spectrometer (ThermoQuest / Finnigan MassLab Group, Manchester UK) operated in electron impact ionization (EI) mode and positive chemical ionization (PCI) mode. A CombiPAL autosampler (CTC Analytics AG, Zwingen, Switzerland) was used for sampling. Recording, processing and analysing of data was done by use of the ThermoQuest Xcalibur data system with NIST 02 mass spectra library. The detailed analytical conditions for GC and GC/MS measurements were described in our previous work [12].

3

Results and Discussion

Amines are generally known to be very difficult to analyze by gas chromatography due to their basic character [4, 11]. In addition to the basic character, the amino group introduces a large dipole in the molecule. The dipole is responsible for strong interaction with silanol groups and siloxane bridges in the structure of the stationary phase of the GC capillary column. This often results in nonlinear adsorption effects and can be seen as strong tailing peaks in the chromatogram. Most critical are the primary alkyl amines and alkyl diamines [5]. The best way to prevent interaction of the strong dipole and to improve the chromatographic separation and the detection sensitivity is a prior derivatization step. Good results from our previous work [11] with acylation of alkyl amines with trifluoroacetic anhydride (TFAA) stimulated us to proceed our work with derivatization of the investigated long-chain alkyl amines (Fig. 1) with the same derivatizing reagent (TFAA) [8, 11] (equation 1):

300

Gerd Knupp et al.

Fig. 2. GC/FID chromatogram of trifluoroacetylated (TFA) derivative of Armeen® HTD (hydrogenated tallow amine) in THF. Fused silica capillary column: DB-17ms, 60 m x 0.25 mm I.D., film thickness 0.25 µm. Column temperature programmed from 150°C (1 min hold) at 3°C min-1 to 280°C (hold 50 min). Split / splitless injector: 290°C. Helium constant pressure 120 kPa, split flow 20 cm³ min-1. FID 320°C. For retention data and peak identification, see Table 1.

R-NH2 + (CF3CO)2O → R-NH-C(O)CF3 + CF3COOH

(1)

Fig. 2 shows the GC/FID chromatogram of trifluoroacetylated derivative of Armeen® HTD (hydrogenated tallow amine [15]) in THF obtained by using moderately polar DB-17ms fused silica capillary column. The identification of compounds was carried out by calculation of increments of retention indices and interpretation of the recorded mass spectra of trifluoroacetylated derivatives of Armeen® HTD and 1-hexadecyloamine (standard substance). As can be seen from Table 1, the increments of retention indices of compounds differ for both non-polar and moderately polar capillary columns by average 97 index units. According to basis of the retention index system itself, the theoretical value is equal to 100 index units, while the members of a homologous series differ by 100 index units per methylene group [16]. The mass spectra formed by the electron-impact ionization (EI) of the trifluoroacetylated n-alkyl amines (C14 – C20) identified in Armeen® HTD are presented in Fig. 3. The characteristic fragments at m/z 240, 254, 268, 282, 296, 310 and 324 in the mass spectra (Fig. 3: A – G) are formed by the loss of the CF3-radical of 1-amino-


301

Fig. 3. Electron impact ionization (EI) mass spectra of n-alkylamines identified in hydrogenated tallow amine Armeen® HTD. Mass spectra identification: (A) 1-aminotetradecane-TFA; (B) 1-aminopentadecane-TFA; (C) 1-aminohexadecane-TFA; (D) 1-aminoheptadecane-TFA; (E) 1-aminooctadecane-TFA;(F) 1-aminononadecane; (G) 1-aminoeicosane-TFA.

tetradecane-TFA, 1-aminopentadecane-TFA, 1-aminohexadecane-TFA, 1-aminoheptadecane-TFA, 1-aminooctadecane-TFA, 1-aminononadecane-TFA and 1-aminoeicosane-TFA ions, respectively (equation 2): [RCH2N(H)C(O)CF3]+ → [RCH2N(H)CO]+ + ׁ CF3

(2)

+

[M – 69]

where R = C13H27 ÷ C19H39. The peaks at m/z 241, 255, 269, 283, 297, 311 and 325 (Fig. 3: A – G) are probably due to the suitable [M + H – CF3]+ ions. The peak at m/z 69 represents the [CF3]+ ion. The mass spectra (Fig. 3: A, C and E) exhibits also a series of fragments at m/z 126, 140, 154, 168, 182, 196, 210, 224, 238, 252, 266, 280 and 294. They are formed in the alkyl cleavage mechanism of 1-aminotetradecane-TFA, 1-aminohexadecane-TFA and 1-aminooctadecane-TFA, respectively with a ring formation reaction, producing a series of [(H2C)nNHC(O)CF3]+

302

Gerd Knupp et al.

fragments (n = 2–13) with the positively charged nitrogen, and abstracting an alkyl radical. The fragment at m/z 126 corresponds to the [(H2C)NHC(O)CF3]+ ion from the β-cleave of the TFA derivatives of the alkylamines (equation 3): [RCH2N(H)C(O)CF3]+ . → [CH2N(H)C(O) CF3]+ + . R

(3)

m/z 126 where R = C13H27 ÷ C19H39.

Fig. 4. Proposed EI-MS fragmentation pattern for N-(1-ocadecyl)-trifluoroacetamide. a) cleavage mechanism, b) McLafferty rearrangement. For mass spectra, see Fig. 3.


303

Fig. 5. Positive chemical ionization (PCI) mass spectra of n-alkylamines identified in hydrogenated tallow amine Armeen® HTD. Mass spectra identification: (A) 1-aminotetradecane-TFA; (B) 1-aminopentadecane-TFA; (C) 1-aminohexadecane-TFA; (D) 1-aminoheptadecane-TFA; (E) 1-aminooctadecane-TFA; (F) 1-aminononadecane; (G) 1-aminoeicosane-TFA.

Other characteristic fragments in Fig. 3: [C4H7]+ (m/z 55), [C5H9]+ (m/z 69), [C6H11]+ (m/z 83), [C7H13]+ (m/z 97) and [C8H15]+ (m/z 111) are formed in the McLafferty type-reaction of alkene elimination from the N-(alkylo)-trifluoroacetamide ions. The McLafferty rearrangement is common for carbonyl compounds such as ketones, carboxylic acids and esters or amides [14]. The peak at m/z = 114 is due to the [F3CC(OH)NH2]+ ion. The proposed EI-MS fragmentation pattern for N-(1-octadecyl)-trifluoroacetamide is shown in Fig. 4. Fig. 5 shows the mass spectra obtained by the positive chemical ionization (PCI) of the trifluoroacetylated n-alkyl amines (C14 – C20) identified in Armeen® HTD. The quasimolecular ions [M + H]+ (m/z 310, 324, 338, 352, 366, 380 and 394) in Fig. 5 (A – G) corresponds to 1-aminotetradecane-TFA, 1-aminopentadecane-TFA, 1-aminohexadecane-TFA, 1-aminoheptadecane-TFA, 1aminooctadecane-TFA, 1-aminononadecane-TFA and 1-aminoeicosane-TFA, respectively. The characteristic fragments at m/z 240, 254, 268, 282, 296, 310 and 324 in the mass spectra (Fig. 5: A – G) are formed, as in the case of electron-impact ionization of Armeen® HTD, by the loss of the CF3-radical of

304

Gerd Knupp et al.

Table 1. Retention data of trifluoroacetylated (TFA) derivative of Armeen® HTD (hydrogenated tallow amine) (Fig. 2) Capillary column DB-5ms

Peak

Proposed chemical structure

DB-17ms

tR* [min]

Ip**

⊗Ip***

tR* [min]

Ip**

⊗Ip***

A

29.70

1843

–

25.67

1943

–

1-aminotetradecane-TFA

B

33.14

1941

98

28.81

2042

99

1-aminopentadecane-TFA

C

36.78

2046

105

32.22

2150

108

1-aminohexadecane-TFA

D

39.94

2139

93

35.10

2241

91

1-aminoheptadecane-TFA

E

43.54

2245

106

38.50

2349

108

1-aminooctadecane-TFA

F

46.48

2331

86

41.07

2431

82

1-aminononadecane-TFA

G

49.92

2424

93

43.96

2525

94

1-aminoeicosane-TFA

tR*: retention time; Ip**: retention index in temperature programmed GLC [13, 19];

⊗Ip***: increment of retention indices Ip(n+1) – Ip(n)

1-aminotetradecane-TFA, 1-aminopentadecane-TFA, 1-aminohexadecane-TFA, 1-aminoheptadecane-TFA, 1-aminooctadecane-TFA, 1-aminononadecane-TFA and 1-aminoeicosane-TFA, respectively. The proposed chemical structures of the investigated n-alkyl amines are summarized in Table 1.

4

Conclusions

Gas chromatography with flame-ionization detection and gas chromatography-mass spectrometry were successfully used for separation and identification of commercially available long-chain primary alkyl amines of the Armeen® HTD-type. The identified corrosion inhibiting alkyl amines were applied in the investigation of a new anticorrosive and antifouling formulation for water-steam circuit of energy systems in the power industry [3].

Acknowledgment This work was done under the Eureka-research project E!2426 BOILTREAT: New technology for boiler water chemical treatment in the energy industry, 01.01.2001 – 29.08.2006, [3].


305

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306

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Identification of Polymeric Residues in Recycled Aluminium by Analytical PyrolysisGas Chromatography-Mass Spectrometry Peter Kusch1, Wolfgang Fink1, Dorothee Schroeder-Obst1, and Volker Obst2 1


2

Dr. Obst Technische Werkstoffe GmbH, Zeiss-Str. 15, D-53359 Rheinbach, Germany

A method for the identification of polymeric residues in recycled aluminium by using analytical pyrolysis at 700°C hyphenated to gas chromatography-mass spectrometry (Py-GC/MS) was presented for the first time. The polymeric residues in recycled aluminium were identified as a mixture of polyethylene, polystyrene, and phenolic resin. The described method could be useful for the aluminium industry as a part of the quality control of the recycled aluminium production.

1

Introduction

The production process of aluminium is highly energy intensive, requiring 15000 kW to manufacture a tonne of aluminium. Therefore, the recycling of aluminium is of high importance under economical as well as ecological aspects [3, 7, 10, 17]. In the recycling process, the aluminium scrap is loaded into a furnace, which melts at temperature over 700°C the aluminium completely. Prior to melting, the scrap is centrifuged and dried to remove the oil and water. Iron and ferrous alloys are magnetically separated from aluminium. The recycling process involves also removing the multi layer film laminates of polymer / resin foils from the aluminium scrap. Laminate films removal can be performed in different ways: e.g. by (1) heating the crushed material in presence of oxygen [14], by (2) pyrolysis and burn in low temperature (300-500°C) [11, 26], by (3) dissolving of film laminates in fatty acid solution by heating at approximately 100°C and followed separation from aluminium after cooling [16] or by (4) using of the extrusion technique [25].

308

Peter Kusch et al.

The quality of secondary aluminium in the recycling industry is mostly determined by using of spectroscopy [6]. Within the instrumental analytical methods, atomic absorption spectrometry (AAS) and inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES) are the most commonly used techniques for the determination of aluminium [8, 21, 24]. Spectrophotometry with use of color reactions is also very popular detection technique of aluminium, because of its speed, precision, accuracy, and cost-effectiveness [15, 29]. Also ion chromatography (IC) [2, 4] and high performance liquid chromatography (HPLC) [22, 28] were used for determination of aluminium. However, no previous work on the analysis of residual polymers and other organic compounds in secondary aluminium has been reported in the literature. This paper describes a method for the identification of polymeric residues in recycled aluminium by using analytical pyrolysis hyphenated to gas chromatography-mass spectrometry (Py-GC/MS). Analytical pyrolysis is a powerful technique which use thermal energy for degradation of non-volatile organic macromolecules into more volatile fragments (monomers, oligomers, and others fragments) suitable for GC, GC/MS or GC/FTIR analysis [18-19, 23, 31]. Pyrolysis methods eliminate the need for pretreatment by performing analyses directly on solid samples. A large molecule will break apart and rearrange in a characteristic way. If the energy transfer to the sample is controlled by temperature, heating rate and time, the fragmentation pattern is reproducible, and characteristic for the original polymer. The present work is the first report in literature on the potential of this analytical technique to characterize aluminium.

2

Experimental

2.1 Chemicals and samples The chemicals used were BTEX standard solution No. 722372 obtained from Macherey-Nagel (Düren, Germany), styrene (stabilized) for synthesis obtained from Merck-Schuchardt, Hohenbrunn, Germany), phenol for synthesis (Merck-Schuchardt), and o-cresol for synthesis (Merck, Darmstadt, Germany). A mixture of C6 – C44 hydrocarbons in cyclohexane (ASTM D2887 Quantitative Calibration Mix) obtained from Supelco (Bellefonte, PA, U.S.A.) was used to calculate the retention index of each compound. Polyolefin foam on basis of linear low density polyethylene (LLDPE) with polypropylene (PP) obtained from Benecke-Kaliko AG, (Hannover, Germany) was used as reference copolymer. Samples of recycled aluminium type AlSi-12 from Germany were used.

Identification of Polymeric Residues in Recycled Aluminium

309

2.2 Pyrolysis-GC/MS Approximately 10 mg of finely divided sample of recycled aluminium were inserted into the bore of the pyrolysis solids-injector and placed in the quartz tube of the on-line furnace pyrolyzer Pyrojector II (SGE, Melbourne, Australia) operated at a constant temperature of 700°C. The furnace pressure of helium carrier gas was 95 kPa. The pyrolyzer was connected to a ThermoQuest Trace 2000 gas chromatograph (ThermoQuest CE Instruments, Milan, Italy) interfaced to a ThermoQuest / Finnigan Voyager quadrupole mass spectrometer (ThermoQuest / Finnigan MassLab Group, Manchester UK) operated in electron impact ionization (EI) mode with an ThermoQuest Xcalibur data system, and the NIST 98 mass spectra library. The fused silica capillary column, 60 m long, 0.25 mm I.D. with Elite-5ms (PerkinElmer Instruments, Shelton, CT, U.S.A.) stationary phase, film thickness 0.25 µm was used. The temperature of column was programmed from 60°C (7 min hold) at 5°C min-1 to 100°C and than at 10°C min-1 to 280°C (20 min hold). Helium 5.0 grade (Westfalen AG) was used as a carrier gas. Constant pressure of helium at 70 kPa was used during the whole analysis. The temperature of the split / splitless injector was 250°C and the split flow was 10 cm³ min-1. The transfer line temperature was 280°C. The EI ion source temperature was kept at 250°C. The ionization occurred with a kinetic energy of the impacting electrons of 70 eV. The emission current of the rhenium filament was 150 µA. The detector voltage was 350 V. Mass spectra and reconstructed chromatograms (total ion current [TIC]) were obtained by automatic scanning in the mass range m/z 35-450.

3

Results and Discussion

Fig. 1 (a) shows the total ion chromatogram (the pyrogram) of pyrolysate of recycled aluminium obtained at 700°C in helium carrier gas stream (the melting point of pure aluminium is 660.32°C). The pyrogram obtained in Fig. 1 (a) consists of the characteristic fragments formed by thermal degradation of a blend of many polymers or copolymers. The mass spectra of the characteristic compounds obtained after pyrolysis are presented in Fig. 2. The degradation products, identified by using of pure standard substances, the NIST 98 spectra library, and the retention index system in temperature-programmed gas-liquid chromatography [12, 20, 30] are summarized in Table 1. As can be seen from Table 1, the chemical structures of the identified substances build three groups of compounds: (1) n-alkenes, (2) aromatics, and (3) phenols. The presence of n-alkenes in pyrolysate is characteristic for the pyrolysis of polyolefins. Polyolefins such as polyethylene and polypropylene degrade during pyrolysis to form a wide range of oligomers, producing pyrograms which are complex, but characteristic [32]. Polyethylene produces straight-chain

310

Peter Kusch et al.

Fig. 1. Pyrolysis-GC/MS total ion current (TIC) obtained after pyrolysis at 700°C of (a) recycled aluminium, (b) polyolefin foam on basis of linear low density polyethylene (LLDPE) and polypropylene (PP). Peak identification: tR = 13.66 min – 2,4-dimethyl-1heptene, for other peaks, see Table 1.

hydrocarbons, including n-alkanes, n-alkenes (main compounds) and n-alkadienes, while polypropylene produces methyl-branched hydrocarbon oligomers [1, 19, 23, 31-32]. The pyrogram of a block copolymer of ethylene and propylene will contain oligomers of both homopolymers, while by pyrolysis of a random copolymer of ethylene and propylene, mixed oligomers are produced [5, 32]. For identification of the kind of polyolefin residues of the investigated secondary aluminium, sample of polyolefin foam on basis of linear low-density polyethylene (LLDPE) and polypropylene (PP) was pyrolysed at 700°C as reference. The pyrogram obtained in Fig. 1 (b) shows the same peaks of n-alkenes as in Fig. 1 (a). The peak in Fig. 1 (b) at 13.66 min has been identified as 2,4dimethyl-1-heptene (propylene trimer, PPP). The formation of 2,4-dimethyl-1heptene is typical for the thermal decomposition of polypropylene [5, 19, 23, 31, 33]. Therefore, the main polymeric residue in recycled aluminium was identified as polyethylene (PE). Other peaks in Fig. 1 (a), such as benzene, toluene, ethylobenzene and styrene indicate the presence of polystyrene (PS) in secon-


311

Fig. 2. Mass spectra of the characteristic compounds obtained after pyrolysis at 700°C of recycled aluminium: (a) tR = 8.6 min 1-heptene; (b) tR = 11.67 min 1-octene; (c) tR = 10.99 min toluene; (d) tR = 16.05 min styrene; (e) tR = 19.36 min phenol; (f) tR = 22.45 min o-cresol.

dary aluminium. The styrene monomer was produced by retropolymerization of PS at 700°C [19]. The peaks of phenol and o-cresol (Fig. 1 a) were formed from phenol-formaldehyde resin. The identified phenolic substances in pyrolysate are characteristic for pyrolysis of phenolic resins [9, 13, 19, 27].

4

Conclusions

The polymeric residues in recycled aluminium were identified by analytical pyrolysis at 700°C followed by GC/MS as a mixture of polyethylene, polystyrene, and phenolic resin. For the first time it could be shown, that the pyroly-

312

Peter Kusch et al.

sis-GC/MS technique is well suited for the identification of the polymeric residues in secondary aluminium, as well as for the quality control in the aluminium production. The results are important to understand the recycling process and could be helpful to characterize the mechanically properties of secondary aluminium. Table 1. Retention data of the pyrolysis products of polymeric residues from recycled aluminium identified by pyrolysis – GC/MS Retention time tR (min) 5.75 5.88 6.28 6.94 8.12 8.60 10.99 11.67 14.73 15.81 16.05 19.36 19.64 19.95 21.72 22.45 22.76 25.25 25.62 27.28 29.02 30.55 31.95 33,27 34.51 *

Retention index Ip* 336 413 519 604 668 694 772 794 869 895 905 988 995 1005 1062 1086 1096 1197 1215 1298 1400 1500 1600 1704 1808

Identified pyrolysis product Propene 1-Butene 1-Pentene 1-Hexene Benzene 1-Heptene Toluene 1-Octene Ethylobenzene 1-Nonene Styrene Phenol 1-Decene 1,2,4-Trimethylbenzene Indene o-Cresol 1-Undecene 1-Dodecene Naphthalene 1-Tridecene 1-Tetradecene 1-Pentadecene 1-Hexadecene 1-Heptadecene 1-Octadecene

Pyrolyzed polymeric residue PE PE PE PE PS, Phenol-formaldehyde resin PE PS, Phenol-formaldehyde resin PE PS PE PS Phenol-formaldehyde resin PE PS PS Phenol-formaldehyde resin PE PE PS PE PE PE PE PE PE

Ip: retention index in temperature-programmed GC [12, 20, 30]

References [1] Aguado J, Serrano DP, San Miguel G (2007) Analysis of products generated from the thermal and catalytic degradation of pure and waste polyolefins using PyGC/MS. J Polym Environ 15:107-118 [2] Application Note AN69 (1991) Determination of aluminium in complex matrices using chelation ion chromatography, Dionex Corp., Sunnyvale, CA, USA


313

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314

Peter Kusch et al.

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Quasi Static Indentation Measurements: A Tool for Micro-mechanical Investigations of Interfaces in Polymer Materials Bernhard Möginger1,*, Volker Herrmann2, and Claus Unseld3 1


2

Degussa Füllstoffsysteme und Pigmente, Harry-Kloepfer-Str. 1 D-50997 Köln, Germany

3

Dunlop GmbH, Dunlopstr.2, D-63450 Hanau

The ongoing miniaturization, multi-layer structure parts and hybrid parts require methods to determine mechanical properties on a micro-scale. However, there is a gap in measuring techniques. On one hand there are the classical methods to measure hardness e.g. VICKERS, ROCKWELL, UNIVERSAL, IRHD etc having resolutions typically above 100µm. On the other hand there are well-developed AFM methods that allow for the determination of mechanical properties in the nanometer range. This paper describes an indentation technique that yields data of mechanical properties in the micrometer range between typically 5 to 50 µm. The measuring device and the data evaluation is presented. Results of micro-mechanical mapping are shown for NR-SBR rubber interfaces, a fuel tank and a part manufactured by two component injection moulding. Finally, the measured micro-mechanical stiffness is compared to the YOUNG’s modulus of the corresponding materials.

1

Introduction

Indentation techniques are the only way to determine local mechanical properties. At the moment there are available classical hardness measurement techniques e.g. VICKERS, ROCKWELL, Shore A and D, IRHD. The best resolution of these classical hardnesses is achieved by the ViCKERS hardness or its instrumented version the UNIVERSAL hardness with the minimum of 40 to 50

*

Author to whom correspondence should be sent

316

Bernhard Möginger, Volker Herrmann, and Claus Unseld

µm. However, their intention is to gain “isotropic” material properties. That means one tries to average over a reasonable number of grains in a metal. Using an Atomic Force Microscope (AFM) allows for to gain mechanical properties on a nanometer scale /1/. An AFM is in principle a simple device: a bending bar with a sharp tip at one end having a tip curvature of 10 nm. It can be driven in different modes: a) topographic mode, b) stiffness mode and c) friction mode. Each mode yields special structure information of the investigated materials, but the mechanical information is only on a qualitative level. To gain quantitative mechanical information the AFM tip has to be used in an indentation experiment. Then it is possible to measure e.g. stiffnesses of the SAN matrix and the dispersed polybutadiene phase of ABS /2/. If one is interested in mechanical information on a micrometer scale e.g. 1 to 100 µm, the AFM technique is capable to deliver it. Because of the nanometer resolution this is a very time consuming way. Furthermore, if there are changes on the micrometer level the nanometer resolution yields a lot of unnecessary information. Therefore, it is desirable to have a method which has a micrometer resolution and allows for a relatively fast measurement.

2

The QSIM Indenter

The requirements on the QSIM indenter developed and technically realized by DUNLOP in Hanau, Germany, are given in Table 1. Table 1. Goals and technical requirements Determination of the mechanical properties on a micrometer scale

Slim indenter needle having a tip diameter of approximately 1 µm

Quasistatic mode

PC controlled indentation procedure via the z-translator Very high resolving sensors

Dynamic mode

Superimposing of small sinoidal indentation amplitudes

Mapping mode

x-y-translators

Using a very slim needle the spacial resolution can be improved by a factor 7 with respect to the VICKERS hardness, Fig. 1. A table on an arrangement of x-y-z-translators is used as a sample holder below the indentation needle. The force measurement and a piezo-device allowing additionally dynamic oscillations are mounted above the indentation needle, Fig. 2.

Quasi Static Indentation Measurements

317

20 µm

136°

Fig. 1. Needle geometry compared to a VICKERS pyramid

3

Fig. 2. Graphic of the indentation device

Theory and Evaluation

An indentation experiment consists of an indentation step and a retraction step. For plastic and rubber materials elastic, viscoelastic, viscous and plastic processes contribute to the indentation curve, Fig. 3. Especially, very often adhesion occurs between the indentation tip and the materials surface.

indentation

Retraction ~ E-modulus

Tensile force in the retraction curve due to adhesion between indenter and sample

Fig. 3. Indentation curve of a rubber

318


The curvature of the indentation curve depends on hardness and stiffness of sample, indenter geometry, indentation speed, relaxation behaviour of the materials, adhesion between tip and sample, and friction between tip and sample. This means that the indentation process becomes very complex if one tries to simulate it in every detail. Fig. 4 shows what happens qualitatively for the indentation of a cone indenter. Furthermore, a definition of the important quantities such as indentation depth h, contact radius a, cone angle α, and indentation angle β is given. Obviously, there is a very complex stress state consisting of tensile, compressive and shear stresses around and below the indenter. To characterize the local mechanical properties it is sufficient to extract some kind of stiffness from the force-indentation-curve. SNEDDON /3/ was one of the first who described the force-indentation-curve qualitatively in terms of YOUNG’s modulus E, POISSON ratio µ, indentation angle β, and indentation depth h.

2 E cot β 2 h 1− µ2 π

(1)

Contact radius

profile of deformed surface

Indentation depth h

normal stress σ2 / MPa

Height above the surface / µm

F=

Normal stress below indenter

x-coordinate / µm

Fig. 4. Deformation of the material for an indentation

This description does not satisfy the requirements of plastics and rubbers. Therefore, MAUGIS and BARQUINS /4/ modified SNEDDON’s approach with an adhesion term

Quasi Static Indentation Measurements ⎡ ⎤ ⎢ ⎛ 1 ⎞⎞ ⎥ ⎛ ⎜ ⎟⎥ ⎢ ⎜ ⎞ 2 ⎟⎟ ⎟ ⎥ ⎢ 2 w ⎛⎜1 − µ 2 ⎞⎟ ⎜ 4 w ⎛⎜1 − µ 2 ⎞⎟ ⎜ ⎛⎜ ⎟ 2 E cot β ⎢ 2 E h tan β ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎜2h + ⎜ 1 − ⎜1 + ⎟ ⎟⎟ ⎥ F= h{ − E tan β ⎜ E tan β ⎜ ⎜ ⎛⎜1 − µ 2 ⎞⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎥ 1 − µ 2 π ⎢⎢ Sneddon w ⎜ ⎟ ⎜ ⎜ ⎝ ⎝ ⎠ ⎠ ⎟⎟ ⎥ ⎜ ⎟⎟ ⎥ ⎜ ⎢ ⎝ 44444424⎝4444444444⎠3 ⎠⎥ ⎢ 144444 adhesion term ⎣ ⎦

319

(2)

containing the thermodynamic adhesion energy w. To evaluate the measured force-indentation-curves equation (2) is used in the form F ( h) = k1 h 2 + k 2 h .

(3)

Differentiation yields

∂F (h) = 2 k1 h + k 2 ∂h

(4)

and the limit for h → 0 yields a term which describes the materials’ stiffness for a given indenter geometry:

∂F (h) = k2 = S0 ∂h h =0

4

(5)

Experimental

4.1 Parameters of the Indentation Experiment The investigated samples are made of plastic or rubber materials. Those materials show viscoelastic and plastic deformation behaviour, and as a consequence, the measured stiffnesses depend on the parameters chosen for the indentation experiment, Table 2. Table 2. Parameters of the indentation experiment Parameter

Value

Indentation depth

Max. 50 µm

Indentation speed

50 µm/s

Scan distance

d ≥ 4 a ≈ 30 to 50 µm contact radius a

320


4.2 Investigated Samples In order to check the capability of the indentation method samples having internal interfaces were investigated where the mechanical properties of the materials change in ifferent ways. Of interest are • a rubber-rubber-interface • a thermoplastic-rubber interface • a thermoplastic multi-layer structure. A precise description of the samples is given in Table 3. Table 3. Investigated samples No Description of the sample

Processing

1

SBR-NR rubber interfaces

Tcuring = 130 / 140 / 150 / 160°C tcuring = 200 / 100 / 50 / 30 min Thickness d = 2 mm and 8 mm Model system for tires

2

PA66GF-rubber interface

2 component injection moulding part made by BOSCH for fuel and air intake system

3

Fuel tank made of PE-HD

Coextrusion of 7 layers 2 x PE-HDin layers – compatibilizer – barrier – compatibilizer – 2 x PE-HDout layers

5

Results

5.1 Rubber-Rubber-Interface A tire is manufactured of several kinds of rubbers. Each rubber has to meet specific requirements in the application. Therefore, it is interesting what mechanical properties occur at the interface of two different kinds of rubber. In order to investigate these interfaces a sample consisting of a SBR and NR rubber was cured at different temperatures for different times. The morphology changes significantly with the curing conditions, Fig. 5. It is seen that with increasing temperature and thickness the rubbers darken more and more, and that there are some changes at the interface. Determining the materials’ stiffnesses according to equation (5) by a line scan over the interface one finds significant differences of the stiffness depending on the curing conditions, Fig. 6 and 7. At low curing temperatures


SBR

130°C

SBR

NR

130°C

2 mm

321

NR

8 mm

interface SBR

160°C

NR

2 mm

SBR

160°C

NR

8 mm

Fig. 5. Morphology of the SBR-NR-rubber cured at different temperatures and times

there is a decrease of the stiffness on the SBR side of the interface while there is a significant increase of the stiffness on the NR side. With increasing curing temperatures this behaviour becomes less pronounced and for a curing temperature of 160°C it has almost vanished.

Fig. 6. Stiffness line scans over the SBR-NR-interface, sample thickness 2mm

322


Fig. 7. Stiffness line scans over the SBR-NR-interface, sample thickness 8mm

This phenomenon can only be explained by the fact that the curing agent has a much lower diffusion rate in the SBR rubber than in the NR rubber. As a consequence, at the interface the curing agent diffuses from the SBR phase to the NR phase leading to depletion on the SBR side and to enrichment on the NR side. If the system has enough time for diffusion the stiffness on the NR side increases due to the fact of a significantly higher cross-linking density. The higher the curing temperature the faster is the curing process which leads to the immobilization of the curing agent by chemical reaction, and the less time is available for the diffusion of the curing agent. 5.2 Thermoplastic-Rubber-Interface This sample has on one side of the interface a very stiff polyamide 66 reinforced with 30 % glass fibers, and on the other side there is a very soft silicone rubber (MVQ) of approximately 40 Shore A, Fig 8. The focus here was to demonstrate that the device is capable to resolve the stiffness jump at the interface quantitatively in a way that the measured stiffnesses correspond reasonably to the YOUNG’s moduli. Furthermore, in order to prepare the sample for the measurement it has to be embedded in epoxy resin. This generates a second interface having to both materials also a


323

4 cm

rubber PA66GF30 Fig. 8. Part with very stiff PA66 GF and very soft silicone rubber (MVQ)

7 Reihe1 Single line scan Reihe2 Average over 7 line scans

stiffness S 0 in N/mm

6 5 4 3 2 1

0.107405

0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

scan way in µm Fig. 9. Single line scan (red line) and average over 7 line scans (blue line)

significantly different stiffness. The second question concerns the effect of the glass fibers in the PA 66 on the scatter of the measured stiffnesses. The line scan starts in the epoxy resin, goes to the MVQ phase, enters the PA 66 GF phase, goes back to the MVQ phase and ends up again in the epoxy resin, Fig. 9. It was found that the stiffness of the epoxy resin is increased slightly when approaching the interface to the MVQ rubber phase. Then there

324


occurs a very sharp drop of the stiffness in the MVQ rubber. When entering the PA 66 GF phase the stiffness is increased drastically but shows a broad scatter in the stiffness values, Tab. 4. This is, of course, due to the fact that each measuring point on the sample does not hit the fiber underground in the same way. Therefore, one measures always different ratios of PA 66 matrix and glass fiber reinforcement. Table 4. Average stiffnesses of the 3 materials Material

Stiffness

Standard deviation

N/mm

N/mm

Epoxy resin

4.097

0.115

MVQ rubber

0.110

0.012

PA 66 GF 30

4.670

0.694

Another point has to be kept in mind: In an indentation experiment there is no sensitivity to the fiber orientation. That means effects of the fiber orientation on the YOUNG’s modulus cannot be found. 5.3 Fuel Tank with Multi-layer Structure The fuel tank consists of 7 co-extruded polymer layers, Fig. 10. On each side there are 2 polyethylene (PE-HD) layers connected to the barrier layer in the center having a thickness of 50 to 100 µm by a layer of compatibilizer. The three materials differ significantly in thickness and modulus, Fig. 11. PE (black) outside

PE (black) outside recycled material Adhesive layer

PE (virgin) inside

Barrier layer

15 cm

Multi-layer structure

Light microscope, crossed polarizers

Fig. 10. Multi-layer structure of a fuel tank


325

3

compatibilizer

2.5

Barrier layer

2 1.5 1 0.5

PE-HD PE-HD

0 0

500

1000

0

1500 2000

Fig. 11. Several line scans over the thickness of the fuel tank

It can be seen that the stiffness of the barrier layer is significantly higher than that of the PE-HD and the compatibilizer layers. Furthermore, the thickness of the barrier layer is found to be less than 100 µm and the thickness of the compatibilizer layers is slightly higher. Of course, there is no stiffness difference between the several PE-HD layers. The stiffness data are summarized in Table 5. Table 5. Stiffness data of the different materials of the fuel tank Material

Stiffness

Standard deviation

N/mm

N/mm

PE-HD 1

1.038

0.023

Compatibilizer 1

0.665

0.015

Barrier layer

3.017

0.041

Compatibilizer 2

0.694

0.016

PE-HD 2

1.068

0.022

There is a big difference in the deformation behaviour between thermoplastic and thermosets on one hand and a rubber on the other. The indentation generates in the first case a remarkable amount of plastic deformation, Fig. 12, while a rubber almost fully recovers. Fig. 8 shows no indentation points in the rubber phases.

326

Bernhard Möginger, Volker Herrmann, and Claus Unseld 7

Stiffness S0 / N/mm Steifigkeit / N/mm

6 5 4 F 3 2

AB

C D

E

1

0

500

1000

1500

2000

Profile line / µm Profillinie / µm

Fig. 12. AFM stiffness picture

This remarkable amount of plastic deformation indicates that for thermoplastics and thermosets the indentation depth can be significantly reduced. This would decrease the plastic deformation and enhance the spacial resolution, respectively. For rubbers this indentation depth is necessary to achieve measurable indentations forces. Table 6. Indentation stiffness and the YOUNG’s modulus of the materials Material

Stiffness

YOUNG’s modulus

N/mm

MPa

Epoxy resin

3.7 to 4.2

3200 to 4000

PA 66 GF 30

4.0 to 5.4

7200 to 10000

Barrier layer

3.0 to 3.1

≈ 2400

PE-HD

1.0 to 1.1

800 to 1200

compatibilizer

0.7

≈ 500

MVQ rubber

0.1

1 to 2

SBR rubber

0.072 to 0.084

≈1

NR rubber

0.068 to 0.080

≈1


6

327

Conclusion

Indentation techniques using very slim needle-like indenters allow to map and measure stiffnesses of materials on a micrometer scale. As the indentation depth is 50 µm the typical contact radius is around 10 µm. But for stiffer materials such as thermoplastics or thermosets the indentation depth can be reduced to less than the half, leading to a lateral resolution of less than 20 µm. The indentation stiffnesses correlate quantitatively with the YOUNG’s moduli of the materials but other units, Table 6. Especially the correlation becomes difficult if short fiber reinforced materials are tested as one is dealing rather with a compressive deformation state than with a tensile one.

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Adult Human Mesenchymal Stem Cells as Source for Future Tissue Engineering Edda Tobiasch* Department of Natural Sciences

Embryonic stem cells (ES) have the potential of long-term viability, selfrenewal and pluripotency which makes them interesting candidates for tissue engineering and gene therapy applications. On the other hand ethical and political issues arise while using theses cells and severe problems such as their tumorgenicity have not been solved yet. In the last couple of month a new source of cells with stem cell character was developed, the induced pluripotent stem cells (iPS). These cells are derived from differentiated adult cells via transduction of three transcription factors and show features similar to embryonic stem cells. Unfortunately, this includes the tumorgenicity which is even higher in those cells since the transcription factor transduction needed until now, is performed with retrovial vectors, which have a tumor potential on their own. Thus, adult stem cells are investigated extensively as alternative source of self-renewing cells. Human mesenchymal stem cells (HMSCs), which have in addition the advantage of potential autologous transplantation, can be found in various differentiated tissues since they are needed for maintenance and repair. They can be differentiated in chondrogenic, osteogenic, adipogenic and myogenic lineages which makes them an excellent tool for future tissue replacement strategies.

1

Introduction

Within the last couple of years stem cell research has become more and more important, since stem cells play an increasing role in developing treatments for prevalent illnesses such as Parkinson’s disease (Langston, 2005), myocardial infarction (Wang et al. 2004; Smits et al. 2005), diabetes mellitus (Chen et al. 2004, Trucco, 2005) and others (for review see Barry, 2003).

*

Correspondence to Edda Tobiasch, Department of Natural Sciences, University of Applied Sciences Bonn-Rhine-Sieg, von Liebig-Straße 20, 53359 Rheinbach, Germany; e-mail: [email protected]

330

Edda Tobiasch

Adult stem cells derived from ectoderm, endoderm and mesoderm can be isolated out of various organs and the number of tissues where these cells are found is still increasing. Out of this list, mesenchymal stem cells are of special interest since they are derived from all three germinal layers. They can be isolated from umbilical cord blood (Bieback et al. 2004), peripheral blood (Roufosse et al. 2004, Huss et al. 2000), dermis (Toma et al. 2001), muscle tissue and bone marrow stroma (Zhou et al. 2003). Human mesenchymal stem cells (HMSCs) can differentiate into chondrocytes (Barry et al. 2001), osteoblasts (Jaiswal et al. 1997), adipocytes, and myoblasts (Owen, 1988, Bianco & Robey, 2000). Thus, they show a large potential for future treatment of those diseases, which are highly prevalent in industrialised countries. The therapeutic use of MSCs derived from bone marrow has recently been reported for various diseases such as liver regeneration (Barry, 2003), spinal cord injury (Satake et al. 2004), Duchenne muscle dystrophy (Gussoni et al. 2002), coronary artery disease (Meyer & Drexler, 2004), autoimmune disease (El-Badri et al. 2004) or Parkinson`s Disease (Langston, 2005). HMSC have been shown to restore cardiac function after an acute myocardial infarct when used in a cellular therapy (for a review, see Fraser et al. 2003) and they are under investigation in orthopaedic medicine for treatment of osteoarthritis (for review see Luyten, 2004) and cartilage repair (Guilak et al. 2004; Uematsu et al. 2005). Alas, bone marrow as a source for HMSCs has several disadvantages. The biopsy needed to get the cells is not only painful but often associated with morbidity and only a low number of cells can be isolated by this method. Naturally, these cells can only be obtained, when the biopsy is done for medical reasons. This unfortunately implies that the stem cells are not from healthy individuals, which might lead to problems interpreting the results achieved with these cells. Therefore another source of HMSC would be suitable. Adult stem cells can be also isolated from adipose tissue which is derived from the mesenchyme as well. This cell population is called processed lipoaspirates (PLA) since the source is liposuction material from plastic surgery (see Fig. 1a) or adipose tissue-derived stromal cells (ATSC), if obtained from an abdominal plastic surgery (see Fig. 1b). Without any ethical barriers to be confronted, these cells can be obtained in large cell numbers and could be an excellent source for the treatment of several diverse diseases with little side effects to be expected due to the possibility of autologous transplantation.

2

Characteristics of Mesenchymal Stem Cells Derived from Bone Marrow and Adipose Tissue

Adipose tissue, like bone marrow, is derived from the embryonic mesoderm and contains a supportive stroma that is easily accessible (Ericson et al. 2002;

Adult Human Mesenchymal Stem Cells

331

De Ugarte et al. 2003). An advantage of adipose tissue as a source of HMSCs is its relative abundance, its self-replenishing ability and its ease of procurement by local excision or suction-assisted liposuction (see Fig. 1a, b). HMSCs are easily gained out of the adipose tissue in large cell numbers of approx. 4 ° 107 cells/100 cm3 in comparison to bone marrow aspiration cells where only 1 ° 105 cells/30 cm3 can be obtained and exhibit a high proliferation capacity in culture (Dragoo et al. 2003). In addition, mesenchymal stem cells isolated from bone marrow need auxiliary growth factors such as hydrocortisone, fetal bovine and horse serum and other supplements for long-term culture (Croisille et al. 1994), whereas HMSCs obtained from adipose tissue have no special culture requirements, thus saving costs (De Ugarte & Alfonso et al. 2003; Winter et al. 2003; Lee et al. 2004). Both mesenchymal stem cell populations exhibit a characteristic and consistent fibroblast-like phenotype in monolayer cultures and are similar in cell size and granularity (Winter et al. 2003; De Ugarte et al. 2003,). Furthermore, it was also demonstrated by various authors that the cell surface marker expression profile of both stem cell populations is very similar (Lee et al. 2004; Zuk et al. 2002; Granthos et al. 2001). The bone marrow-derived (BM)-HMSCs and adipose tissue derived HMSCs (AT)-HMSCs express CD9, CD10, CD13, CD29, CD34, CD44, CD49d, CD49e, CD54, CD55, CD59, CD105, CD106, CD146, and CD166 (Granthos et al. 2001). Besides, both populations are uniformly negative for the expression of CD3, CD4, CD11c, CD14, CD15, CD16, CD19, CD31, CD 3, CD34, CD38, CD45, CD56, CD61, CD62P, CD104 and CD144. However, distinctions were observed for the following three markers: STRO-1, CD49d and CD106. The AT-HMSC population is positive for CD49d and negative for STRO-1 antigen and CD106 expression, whereas the opposite is observed in BM-HMSCs. CD106 is associated with hematopoiesis and can be expected to be found in the bone marrow (Levesque et al. 2001). The absence of CD106 expression in AT-HMSCs is therefore consistent with the localization of these cells to a non-hematopoietic tissue. Generally, the very

Fig. 1. Sources for adipose-derived HMSCs. a Liposuction material in a typical collection bag (AescoLOGIC, volume 3 liters). b Two parts of an abdominal plastic (50 g, each) in a 10 cm petri dish.

332

Edda Tobiasch

analogous expression profile of specific surface molecules demonstrates that AT-HMSCs are very similar to BM-HMSCs. In addition, it was published that AT-HMSCs exhibit the same multi-lineage potential as BM-HMSCs to differentiate into the adipogenic, osteogenic, chondrogenic and myogenic pathways (Zuk et al. 2001; Lee et al. 2004). This broad capacity makes these cells candidates for the same tissue engineering and gene therapy applications.

3

Differentiation of HMSC

To achieve lineage-specific differentiation in HMSCs, the cells are cultured in media supplemented with the appropriate factors. In order to induce an adipogenic differentiation, HMSCs are cultured in medium containing isobutylmethylxanthine, dexamethasone, insulin and indomethacin as supplements (Pittenger et al. 1999). Upon induction, the AT-HMSCs showed an apparent accumulation of lipid-rich vacuoles within the cells. In addition to the intracellular lipid accumulation, which can be proven with a positive Oil Red O staining (see Fig. 2a and b), various lipid-specific marker molecules are expressed or up-regulated in induced AT-HMSCs and BM-HMSCs, such as GPDH (glycerol-3-phosphate dehydrogenase), leptin, GLUT4 (glucose transporter 4), PPARγ2 (peroxisome-proliferating activated receptor γ2), LPL (lipoprotein lipase) and aP2 (fatty acid-binding protein2), confirming the adipogenic differentiation (Jaiswal et al. 2000; Zuk et al. 2002; De Ugarte et al. 2003). The osteogenic differentiation of HMSC is achieved by cultivating the cells in medium containing 1,25-dihydroxyvitamin D3 (or dexamethasone), ascorbate2-phosphate and β-glycerol phosphate in the presence of 10 % FCS. The successful differentiation is confirmed by an increased expression level of alkaline phosphatase and an extracellular accumulation of calcium (Bruder et al. 1998; Pittenger et al. 1999) which can be stained with Alizarin Red (see Fig.2c and d). In induced AT-HMSCs an up-regulated expression of CBFA-1 (core binding factor1), a transcription factor binding to the promoters of several osteogenic genes, as well as the expression of osteospecific marker molecules such as osteocalcin can be observed. The in vitro chondrogenic differentiation of HMSC requires high-density culture, a micromass culture technique, to duplicate the process of cellular condensation and media with low serum (1 % FCS) supplemented with insulin, TGFβ1 (transforming growth factor β1) and ascorbate-2-phosphate (Mackay et al. 1998). The chondrogenic induction of AT-HMSCs results in the formation of compact and spheroid nodules which are characteristic for cells differentiating in the chondrogenic lineage. These cell nodules are associated with a well-organized extracellular matrix rich in collagen II, collagen X, aggrecan, biglycan, lumican and COMP (cartilage oligomeric matrix protein). The presence of sulfated proteoglycans in chondrogenic induced AT-HMSCs


333

Fig. 2. Differentiation of HMSCs. a, b undifferentiated (control) and towards adipocytes lineage specific differentiated adult HMSCs stained with Oil Red O (b). c, d undifferentiated (control) and towards osteoblast lineage specific differentiated adult HMSCs stained with Alizarin Red (d). All magnifications 38x.

can be confirmed by a positive Alcian Blue staining and verifies that AT-HMSCs are capable of differentiating towards the this lineage (Pittenger et al. 1999; Erickson et al. 2002; Winter et al. 2003, Lee et al. 2004). To induce a myogenic differentiation, AT-HMSCs are cultured in medium supplemented with hydrocortisone. The myogenic lineage potential of these cells is confirmed by the expression or up-regulation of several transcription factors, including myf6 (myogenic factor 6), myf 5, myod1 (myogenic factor 3), myogenin and the structural proteins desmin and myosin. Furthermore, it is observed that the AT-HMSCs fuse and form multinucleated cells upon induction. Finally, expression of the myogenic-specific genes supports the myogenic lineage potential of AT-HMSCs (Zuk et al. 2001; Zuk et al. 2002). Nevertheless, this is the most critical differentiation of AT-HMSCs if compared to BM-HMSCs, since muscle cells can be found in the primary material, being the source of potential contaminations. It is hypothesized that AT-HMSCs may differentiate into cells with a phenotype derived of other germinal layers than the mesoderm, which is the major source of MSCs, e.g. neural cells which are derived from embryonic ectoderm. This feature would abolish the main disadvantage of adult stem cells, if compared with embryonic derived cells, the lower plasticity (Lendahl et al. 1990; Sanchez-Ramos et al. 2000; Woodbury et al. 2000; Zuk et al. 2002). Recently it has been shown that BM-HMSCs are able to differentiate into hepatocyte-like cells (Wang et al. 2004). Currently it has been published by another author that AT-HMSCs are capable of differentiating towards a hepatocyte-like cell type as well (Seo et al. 2005). The hepatic lineage was induced by culturing the AT-HMSCs in standard medium supplemented with

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Edda Tobiasch

dimethyl sulfoxide (DMSO), HGF (heaptocyte growth factor) and OSM (oncostatin M). Upon induction, the cell morphology changed to a round-shaped hepatocyte-like structure. Furthermore, hepatic differentiation was confirmed by the detection of albumin expression, which was strongly expressed in induced AT-HMSCs, whereas it was not detectable in non-induced AT-HMSCs. Additionally, it was demonstrated that induced and differentiated AT-HMSCs were able to take up LDL (low-density-lipoprotein), whereas non-induced and undifferentiated AT-HMSCs did not. Besides, urea production and secretion was recognized in differentiated AT-HMSCs whre as no urea production was noticed in non-induced cells. The ability to take up LDL as well as to produce urea indicated that the differentiated AT-HMSCs have developed hepatocyte function (Seo et al. 2005). It can be summarized that adipose tissue is an excellent alternative source of HMSCs. AT-HMSCs are capable of differentiating towards various mesodermal lineages, as well as towards pathways of other germinal layers such as neuronal and hepatic lineages. For future treatment, the single differentiation steps of the various lineages still have to be defined in more detail, but the capacitiy of these cells is promising.

4

Conclusion

Although ES and iPS have a higher plasticity than HMSC, first preliminary therapeutic applications with HMSC have been made and show promising results. These cells have been shown to differentiate into various cell types and they have been used already to treat diseases such as myocardial infarction in a cellular approach. In some experiments even tissue structures such as bone or cartilage could be achieved.. Nevertheless, there are still many questions to be addressed. For all kinds of therapeutic applications, the overall safety and efficacy needs to be investigated in detail. Toxicology and genetic studies must demonstrate long-term safety. The fact that these stem cells are of human origin could decrease the time spend on pre-clinical studies, nevertheless, years of research are needed before large scale clinical trials can be started and this kind of treatment can be used on a regular basis. Until now, the only truly successful stem cells therapy leading to a cure of the patient is the bone marrow transplantation with hematopoietic stem cells for some blood cancers such as leukemia. Next to the already promising preliminary results for cell based therapies, the long-term goal is to produce three dimensional structures with or without scaffolds and various differentiated cells in a defined order as can be found in organs. In times where people grow older and only less than eight percent own an organ donation pass, the need of artificial organs is increasing and stem cells based approaches could provide an essential part for a solution of this problem in the future.


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Acknowledgments This work was supported by BMBF-AIF, AdiPaD; FKZ: 1720X06 for ET. We thank the publisher of Clinical Laboratory where parts of Article have been published first (Pansky A, Roitzheim B, Tobiasch E. Differentiation potential of adult of human mesenchymal stem cells. Clin Lab 2007 53:81-84.) for the approval.

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Antiphospholipid Syndrome Patients Display Reduced Titers of Soluble CD21 in Their Sera Irrespective of Circulating Anti-β2-Glycoprotein-I Autoantibodies Anjana Singh1, Miri Blank2, Yehuda Shoenfeld2, and Harald Illges1,* 1


2

Center for Autoimmune diseases, Department of Medicine “B” and Human Microbiology, Sheba Medical Center, Sackler Faculty of Medicine, Tel Aviv University, Tel Aviv, Israel

A soluble form of the complement receptor CD21 (sCD21) is shed from the lymphocyte surface. The sCD21 is able to bind all known ligands such as CD23, sCD23, Epstein-Barr virus and C3d in immune complexes. Here, we show the serum levels of sCD21 in sera the of antiphospholipid syndrome (APS) patients. Antiphospholipid syndrome is an autoimmune disorder in which autoantibodies cause heart attack, stroke and miscarriage. Antiphospholipid syndrome may appear as primary or in association with systemic lupus erythromatosus (SLE) and other autoimmune diseases. Here, we ask whether APS patients have different sCD21 titers compared to healthy persons and whether sCD21 levels correlate with the presence of anti-β2-GPI autoantibodies. We show that autoimmune APS patients have significantly reduced amounts of sCD21 in their sera, irrespective of the presence of anti-β2-GPI autoantibodies. In our APS patients cohort additional SLE, vasculities, DVT (deep vein thrombosis), fetal loss or thrombosis did not correlate to the reduced level of sCD21.

1

Introduction

Complement receptor type 2 (CR2, CD21), the cell surface receptor for the iC3b, C3dg and C3d components of complement and for the Epstein-Barr virus (EBV), is found on most mature B lymphocytes, but it is not detectable

*

E-mail: [email protected].

340

Anjana Singh et al.

on immature cells or plasma B cells. Immunohistological studies indicate that CD21 is moderately expressed on mantel zone B cells and strongly on marginal zone B cells [1]. The CD21 and its soluble form (sCD21) are also ligands to the low-affinity IgE-receptor CD23 and to sCD23, thereby modulating IgEresponses and monocyte activation and differentiation [2]. The membrane protein complex CD19/CD21/CD81 enhances B-cell antigen receptor (BCR) signalling in response to complement-coated antigens by several orders of magnitude [3, 4]. The sCD21 has been described in the human serum and in the culture supernatants of human lymphoblastoid cell lines [5, 6] as a 135 kDa protein corresponding to the extracytoplasmic portion of the molecule that is shed from the cell membrane [7, 8]. In addition to B cells, CD21 is expressed on follicular dendritic cells (FDC) and in lower quantities on a subset of thymocytes, T-cells and epithelial cells such as the 293 cell line [9, 10] and number of other cell types. Recombinant soluble CD21 fusion proteins comprising the C3-binding region of CD21 and immunoglobulin G1 suppressed the antibody response to a T-cell dependent antigen in mice [11]. Moreover, Qin et al. [12] showed that the inhibition of B-cell / FDC interactions by sCD21 blocked the antibody production. The sCD21 has been described as a marker of B-cell activation in humans and it can inhibit EBV-binding to and infection of B-cells [13, 14]. The sCD21 levels are often altered in pathologic conditions including lymphoproliferative leukemia, such as chronic B-lymphocytic leukemia (BCLL) [15], acute EBV-infection and other virus-associated diseases [16, 17] and autoimmune diseases like SLE and Sjoegren’s syndrome while no reduction of sCD21 was found in juvenile arthritis [18]. Therefore sCD21 can be regarded as a marker of chronic inflammatory autoimmune disease. The sCD21 activates monocytes through binding to membrane CD23. As sCD21 could potentially bind to its ligands in the plasma, the amount of sCD21 in circulation could be a modulator of immunity. The sCD21 is present in normal plasma in the form of a complex with cleavage fragments of C3 and the trimeric form of sCD23 [19, 20]. The B-cell activation through mitogen (PMA + calcium ionophore) or antiIgM + anti-CD40 stimulation induced CD21-shedding in human peripheral blood B-lymphocytes and the B-cell line Raji [21]. We previously demonstrated that CD21-shedding is a redox-regulated process and can be induced with the thiol antioxidants glutathione (GSH), N-acetylcysteine (NAC), β-2merceptoethanol and the oxidant pervanadate in CD21-transfected 293 cells, human peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and the Burkitt lymphoma line, Daudi. The antiphospholipid syndrome (APS) is characterized by the presence of antiphospholipid autoantibodies which bind target molecules mainly via β2glycoprotein-I (β2-GPI) and / or lupus anticoagulants, associated with recurrent fetal loss, thromboembolic phenomena and thrombocytopenia [22–25].

Antiphospholipid Syndrome Patients

341

The pathogenicity of anti-β2-GPI antibodies was demonstrated by its transfer into naive mice and rabbits as well as preventing the β2-GPI antibodies generation and disease by oral tolerance with β2-GPI [26, 27]. It has been postulated that anti-β2-GPI antibodies exert a direct pathogenic by interfering with the homeostatic reactions occurring on the surface of platelets or vascular endothelial cells as well as placenta [28–32]. The factors causing the production of anti-β2-GPI remain unidentified, but one of the originating factors was shown to be infectious agents by molecular mimicry. In the present study, we addressed the questions whether CD21-shedding is affected in autoimmune APS and whether there is a correlation to the presence of anti-β2-GPI. Here we show that sCD21 levels in APS patients, in comparison with healthy donors, are significantly reduced (P > 0.0001). The presence of specific β2-GPI autoantibodies did not correlate with the sCD21 titers. Moreover, no correlation between the level of sCD21 and APS related clinical manifestation was found.

2

Materials and Methods

2.1 Human Serum, Cells, Antibodies and Reagent Human sera were collected from healthy donors and APS patients. All gave informed consent. The monoclonal anti-CD21 hybridomas BU32 (immunoglobin (Ig) G1) and THB5 (IgG2a) were grown in a serum-free hybridoma medium (Invitrogen, Karlsruhe, Germany) at 37°C in 7.5 % CO2 and the monoclonal antibodies were purified by affinity chromatography with protein GSepharose (Amersham, Freiburg, Germany) as described before [3]. The BU32 antibodies were biotinylated using a kit from Sigma (München, Germany) according to the manufacturers instructions.

3

Quantification of Soluble sCD21 from Human Serum by ELISA

A sandwich ELISA was performed to measure the sCD21 levels in healthy donors and APS patients as described before [33]. Briefly, the monoclonal antibodies THB5 and biotinylated BU32 were used as capture and detection antibody respectively. The THB5 was coated onto an ELISA plates (NUNC, Germany) at a concentration of 5 µg/ml in the coating buffer (phosphate buffer, pH 7.2) overnight at 4°C and blocked with 5 % BSA in PBS for 2 h. After washing, the sera samples were added at a dilution of 1:50 into the plate along with the standard in triplicate and incubated overnight at 4°C. Then, the ELISA plates were washed with PBS-T and incubated with biotinylated BU32 for 1 h at room temperature. Then, after three washes, streptavidin

342

Anjana Singh et al.

coupled to horse-radish peroxidase was added and TMB (Sigma) as substrate / coloring agent. The enzyme-reaction was stopped by the addition of H2SO4 and quantified by measuring the optical density at 450 nm, reference wavelength at 690 nm, in an ELISA reader (Anthos Micro System, Germany). The sCD21 concentrations were calculated by extrapolating from the standard graph.

4

Statistics

Statistical calculation and graphical illustration was performed using the Graph pad Prism software. The Mann-Whitney test was done to obtain the non-parametric two tail P value.

5

Results

Sera from 50 APS patients and 25 controls (Table 1) were analyzed for the presence of sCD21 using a sandwich ELISA. The sera were diluted to 1:50 and applied to ELISA. For control, standard sera with known sCD21 titer were used in serial dilution. Comparing standard, patients and healthy control sera we determined the concentration of sCD21 in ng/ml. We used the Mann-Whitney test for statistical analysis. The level of sCD21 in healthy control ranged from 100 to 500 ng/ml (median 330.40 ng/ml) while in APS it was 10–250 ng/ml (median 121.95 ng/ml) (Fig. 1). Thus sCD21 is signifiTable 1. Serum soluble CD21 levels in other disorders of Antiphospholipid Syndrome. There were no significant changes in serum sCD21 levels. Statistical significance was calculated using nonparametric Mann-Whitney test. Samples

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