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Synapses are the fundamental structures that regulate the functionality of the neural circuit. The ability of the synapse to modulate its structure and function at a fast rate due to various sensory inputs provides the strength to the nervous system to incorporate new adaptations and behaviors in the animal. The synapses are very dynamic throughout the life of the animal starting from early development. Continuous events of formation and elimination of synapse, activation and inhibition of synaptic function are observed in almost all synapses. These processes occur at a high speed and require controlled cellular mechanisms. Imbalance in these processes results in defective nervous system and has been reported in many neurological disorders. Thus, it is important to understand the mechanisms that regulate process of synapse development maintenance and function.
Kinases and phosphatases are the key regulators of cellular mechanisms. Understanding the function of these molecules in the neuron will shed light on the molecular mechanisms of synaptic plasticity. Using Drosophila melanogaster larval neuromuscular junction as a model, Bulat et al. (2014) performed a large RNAi based screen targeting kinome and phosphatome of Drosophila to identify the essential kinases and phosphatases and found Myeloid leukemia factor-1 adaptor molecule (Madm) and Protein phosphatase 4 (PP4) as novel regulators of synapse development and maintenance. The function of these molecules in the nervous system has not been reported and hence I investigated on the role of Madm and PP4 in the regulation of synapse development, maintenance and function.
Myeloid leukemia factor-1 adaptor molecule (Madm), a ubiquitously expressing psuedokinase essentially functions to regulate synaptic growth, stability and function. Using a combination of genetic and high throughput imaging, I could demonstrate that Madm functions to regulate the synaptic growth and stability from the presynapse and synaptic organization form the postsynapse. Also, I could demonstrate that Madm functions in association with mTOR pathway to regulate synapse growth acting downstream of 4E-BP. In addition, using electrophysiology, we could demonstrate that Madm is essential for the basic synaptic transmission with an additive function of retrograde synaptic potentiation. In summary, I could demonstrate that Madm is a novel regulator of synaptic development, maintenance and function.
Protein phosphatase 4 (PP4), a ubiquitously expressing protein phosphatase is involved in the regulation of multiple aspects of the nervous system. I could demonstrate that PP4 is essential for the development of nervous system and the metamorphosis. Using genetics and imaging analysis, I could demonstrate that loss of PP4 results in the abnormal morphology of cell organelles. In addition, I could show that loss of PP4 results in defective brain development with poorly developed structures.
Altogether, in this study, I could demonstrate the importance of novel molecules, a pesudokinase Madm and protein phosphatases PP4 in the nervous system to regulate distinct aspects of the neuron.
Hardware Contention-Aware Real-Time Scheduling on Multi-Core Platforms in Safety-Critical Systems
(2019)
While the computing industry has shifted from single-core to multi-core processors for performance gain, safety-critical systems (SCSs) still require solutions that enable their transition while guaranteeing safety, requiring no source-code modifications and substantially reducing re-development and re-certification costs, especially for legacy applications that are typically substantial. This dissertation considers the problem of worst-case execution time (WCET) analysis under contentions when deadline-constrained tasks in independent partitioned task set execute on a homogeneous multi-core processor with dynamic time-triggered shared memory bandwidth partitioning in SCSs.
Memory bandwidth in multi-core processors is shared across cores and is a significant cause of performance bottleneck and temporal variability of multiple-orders in task’s execution times due to contentions in memory sub-system. Further, the circular dependency is not only between WCET and CPU scheduling of others cores, but also between WCET and memory bandwidth assignments over time to cores. Thus, there is need of solutions that allow tailoring memory bandwidth assignments to workloads over time and computing safe WCET. It is pragmatically infeasible to obtain WCET estimates from static WCET analysis tools for multi-core processors due to the sheer computational complexity involved.
We use synchronized periodic memory servers on all cores that regulate each core’s maximum memory bandwidth based on allocated bandwidth over time. First, we present a workload schedulability test for known even-memory-bandwidth-assignment-to-active-cores over time, where the number of active cores represents the cores with non-zero memory bandwidth assignment. Its computational complexity is similar to merge-sort. Second, we demonstrate using a real avionics certified safety-critical application how our method’s use can preserve an existing application’s single-core CPU schedule under contentions on a multi-core processor. It enables incremental certification using composability and requires no-source code modification.
Next, we provide a general framework to perform WCET analysis under dynamic memory bandwidth partitioning when changes in memory bandwidth to cores assignment are time-triggered and known. It provides a stall maximization algorithm that has a complexity similar to a concave optimization problem and efficiently implements the WCET analysis. Last, we demonstrate dynamic memory assignments and WCET analysis using our method significantly improves schedulability compared to the stateof-the-art using an Integrated Modular Avionics scenario.
Ein Bioraffineriekonzept für (Bier-)Treber wird vorgeschlagen, bei dem im Gegensatz zu bestehenden Konzepten wasserlösliche Komponenten durch Pressen abgetrennt und als Grundlage für eine Milchsäurefermentation mit Lactobacillus delbrueckii subsp. lactis verwendet werden. Die verbleibenden strukturellen Kohlenhydrate des Treberrückstandes werden durch hydrothermale und enzymatische Vorbehandlung in fermentierbare Zucker überführt. Es entstehen deutlich weniger Nebenprodukte, die das Wachstum von Mikroorganismen inhibieren können, als bei der Nutzung von nicht abgepresstem Treber.
Untersuchung der spektroskopischen und kinetischen Eigenschaften von Dihydroxysäure-Dehydratasen
(2019)
Eisen-Schwefel-Cluster sind wichtige Cofaktoren, die an der Redox- und Nicht-Redox-Katalyse beteiligt sind. Enzyme der Lyase-Familie wie Aconitase, Fumarase und DihydroxysäureDehydratase enthalten Cluster, die an drei Cystein-Liganden koordiniert sind. Das Eisenion, das an einen Nicht-Cysteinyl-Liganden koordiniert ist, wirkt als Lewis-Säure und interagiert mit dem Substrat über die Hydroxygruppe des dritten Kohlenstoffatoms und der Carboxygruppe. Das in dieser Arbeit untersuchte Enzym ist die Dihydroxysäure-Dehydratase (DHAD), welche an der Biosynthese der Aminosäuren Isoleucin, Leucin und Valin beteiligt ist. In dieser Arbeit wurden die kinetischen und spektroskopischen Eigenschaften von DHAD aus Streptococcus mutans, Streptococcus thermophilus, Saccharomyces cerevisiae und Escherichia coli untersucht. Zu diesem Zweck wurden ihre Gene kloniert und die Proteine in E. coli Zellen exprimiert. Nach der Proteinreinigung zeigten die UV-Vis-, ESR- und Mössbauer-Spektroskopie die Anwesenheit eines [2Fe-2S]2+-Clusters in der S. mutans DHAD, eines [4Fe-4S]2+-Cluster in E. coli DHAD und einer Mischung von [2Fe-2S]2+- und [4Fe-4S]2+ -Cluster in der S. cerevisiae DHAD. Darüber hinaus unterstützten die Ergebnisse der Sauerstoffstabilitätstests und des Eisen- und säurelabilen Sulfidgehalts die spektroskopischen Analysen. MössbauerSpektroskopie lieferte zusätzlich Information für das Vorhandensein eines nicht-cysteinyl-koordinierten Eisenions in den Clustern der S. mutans und in E. coli DHAD. Enzymaktivitätsmessungen mit dem Dinitrophenylhydrazin-Assay und den hier etablierten gekoppelten Assays mit NADH-abhängigen Ketoisovalerat-reduzierenden Dehydrogenasen wurden durchgeführt, um die spezifischen Aktivitäten und die kinetischen Parameter der DHAD zu bestimmen. Interaktionsstudien der S. mutans DHAD mit dem Substrat, dem Produkt, den substrat- und produktähnlichen Verbindungen mittels UV-Vis-, ESR-, Mössbauer- und FT-IR-Spektroskopie zeigten, dass nur das (2R)-Isomer des Substrats und 2-Ketosäuren (KIV, Kbut) mit dem Cluster der S. mutans DHAD interagierten. Das DHAD-Produkt (2-Ketoisovalerat) interagiert vermutlich über seine Enolform mit dem Cluster. Interessanterweise wurde starke Interaktion des Clusters mit der β-Mercaptogruppe von 3-Mercaptopropionat beobachtet. Diese Wechselwirkung wurde unabhängig durch Inhibitionsstudien verifiziert. Anschließend zeigte eine Gelfiltrationsanalyse die Reversibilität der Interaktionen. Insgesamt hat die vorliegende Arbeit unser Wissen über die biotechnologisch wichtigen DHAD-Enzyme erweitert.
Substrate channeling is a widespread mechanism in metabolic pathways to avoid decomposition of unstable intermediates, competing reactions, and to accelerate catalytic turnover. During the biosynthesis of light-harvesting phycobilins in cyanobacteria, two members of the ferredoxin-dependent bilin reductases are involved in the reduction of the open-chain tetrapyrrole biliverdin IXα to the pink pigment phycoerythrobilin. The first reaction is catalyzed by 15,16-dihydrobiliverdin:ferredoxin oxidoreductase and produces the unstable intermediate 15,16-dihydrobiliverdin (DHBV). This intermediate is subsequently converted by phycoerythrobilin:ferredoxin oxidoreductase to the final product phycoerythrobilin. Although substrate channeling has been postulated already a decade ago, detailed experimental evidence was missing. Using a new on-column assay employing immobilized enzyme in combination with UV-Vis and fluorescence spectroscopy revealed that both enzymes transiently interact and that transfer of the intermediate is facilitated by a significantly higher binding affinity of DHBV toward phycoerythrobilin:ferredoxin oxidoreductase. Concluding from the presented data, the intermediate DHBV is transferred via proximity channeling.
Die Versorgungsaufgaben für Niederspannungsnetze werden sich in den kommenden Jahrzehnten durch die weitere Verbreitung von Photovoltaikanlagen, Wärmepumpenheizungen und Elektroautomobilen gegenüber denen des Jahres 2018 voraussichtlich stark ändern. In der Praxis verbreitete Planungsgrundsätze für den Neubau von Niederspannungsnetzen sind veraltet, denn sie stammen vielfach in ihren Grundzügen aus Zeiten, in denen die neuen Lasten und Einspeisungen nicht erwartet und dementsprechend nicht berücksichtigt wurden. Der Bedarf für neue Planungsgrundsätze fällt zeitlich mit der Verfügbarkeit regelbarer Ortsnetztransformatoren (rONT) zusammen, die zur Verbesserung der Spannungsverhältnisse im Netz eingesetzt werden können. Die hier entwickelten neuen Planungsgrundsätze erfordern für ländliche und vorstädtische Versorgungsaufgaben (nicht jedoch für städtische Versorgungsaufgaben) den rONT-Einsatz, um die hohen erwarteten Leistungen des Jahres 2040 zu geringen Kosten beherrschen zu können. Eine geeignete rONT-Standardregelkennlinie wird angegeben. In allen Fällen werden abschnittsweise parallelverlegte Kabel mit dem Querschnitt 240 mm² empfohlen.
Using molecular dynamics simulation, we study nanoindentation in large samples of Cu–Zr glass at various temperatures between zero and the glass transition temperature. We find that besides the elastic modulus, the yielding point also strongly (by around 50%) decreases with increasing temperature; this behavior is in qualitative agreement with predictions of the cooperative shear model. Shear-transformation zones (STZs) show up in increasing sizes at low temperatures, leading to shear-band activity. Cluster analysis of the STZs exhibits a power-law behavior in the statistics of STZ sizes. We find strong plastic activity also during the unloading phase; it shows up both in the deactivation of previous plastic zones and the appearance of new zones, leading to the observation of pop-outs. The statistics of STZs occurring during unloading show that they operate in a similar nature as the STZs found during loading. For both cases, loading and unloading, we find the statistics of STZs to be related to directed percolation. Material hardness shows a weak strain-rate dependence, confirming previously reported experimental findings; the number of pop-ins is reduced at slower indentation rate. Analysis of the dependence of our simulation results on the quench rate applied during preparation of the glass shows only a minor effect on the properties of STZs.
The importance of well trained and stable neck flexors and extensors as well as trunk muscles for intentional headers in soccer is increasingly discussed. The neck flexors and extensors should ensure a coupling of trunk and head at the time of ball contact to increase the physical mass hitting the ball and reduce head acceleration. The aim of the study was to analyze the influence of a 6-week strength training program (neck flexors, neck extensors) on the acceleration of the head during standing, jumping and running headers as well as after fatigue of the trunk muscles on a pendulum header. A total of 33 active male soccer players (20.3 ± 3.6 years, 1.81 ± 0.07 m, 75.5 ± 8.3 kg) participated and formed two training intervention groups (IG1: independent adult team, IG2: independent youth team) and one control group (CG: players from different teams). The training intervention consisted of three exercises for the neck flexors and extensors. The training effects were verified by means of the isometric maximum voluntary contraction (IMVC) measured by a telemetric Noraxon DTS force sensor. The head acceleration during ball contact was determined using a telemetric Noraxon DTS 3D accelerometer. There was no significant change of the IMVC over time between the groups (F=2.265, p=.121). Head acceleration was not reduced significantly for standing (IG1 0.4 ± 2.0, IG2 0.1 ± 1.4, CG -0.4 ± 1.2; F = 0.796, p = 0.460), jumping (IG1-0.7 ± 1.4, IG2-0.2 ± 0.9, CG 0.1 ± 1.2; F = 1.272, p = 0.295) and running (IG1-1.0 ± 1.9, IG2-0.2 ± 1.4, CG -0.1 ± 1.6; F = 1.050, p = 0.362) headers as well as after fatigue of the trunk musculature for post-jumping (IG1-0.2 ± 2.1, IG2-0.6 ± 1.4; CG -0.6 ± 1.3; F = 0.184, p = 0.833) and post-running (IG1-0.3 ± 1.6, IG2-0.7 ± 1.2, CG 0.0 ± 1.4; F = 0.695, p = 0.507) headers over time between IG1, IG2 and CG. A 6-week strength training of the neck flexors and neck extensors could not show the presumed preventive benefit. Both the effects of a training intervention and the consequences of an effective intervention for the acceleration of the head while heading seem to be more complex than previously assumed and presumably only come into effect in case of strong impacts.
Key words: Heading, kinetics, head-neck-torso-alignment, neck musculature, repetitive head impacts, concussion
Technische und gesellschaftliche Entwicklungen im Bereich der Digitalisierung und vor allem der künstlichen Systeme werden in der gutachterlichen Stellungnahme dargestellt. Im Mittelpunkt stehen Auswirkungen der digitalen Transformation für Politik und Verwaltung in Rhein-land-Pfalz, verschiedene technische Lösungen, Divergenzen zwischen ländlichem und urbanen Räumen sowie Zukunftsvorstellungen.
Bei künstlicher Intelligenz handelt es sich um einen spezifischen Aspekt der Digitalisierung. Beide – Digitalisierung und Künstliche Intelligenz – gehen mit unterschiedlichen Facetten gesellschaftlichen Wandels einher, die in ihrer orts- und regionalspezifischen Einbettung zu untersuchen sind. Dabei ist es unabdingbar, sowohl die gesellschaftlichen als auch die technischen Innovationen aufeinander zu beziehen und diese in ihren Wechselwirkungen als eine sozio-technische Dynamik aufzufassen.
Auf Grundlage eines umfassenden Literaturreviews wird ein Überblick über die aktuellen technischen Anwendungen bei der Künstlichen Intelligenz und der Digitalisierung gegeben (Maschinenlernen, Robotics, Deep Learning, Data Mining, Blockchain, etc). In den verschiedenen Siedlungsräumen in Rheinland-Pfalz kommen – teilweise in transdisziplinären Forschungsprojekten – die neuen digitalen Möglichkeiten bereits zum Einsatz, z.B. im Projekt Digitale Dörfer, in der Chemieindustrie oder bei Versuchen für autonomes Fahren. Anwendungsfelder in unterschiedlichen Lebensbereichen werden für die verschiedenen Regionen in Rheinland-Pfalz aufgezeigt. Das Verschmelzen von virtuellem und realem Raum sowie die Normalisierung digitaler Lebensstile führt auch zu wachsenden Erwartungen an die Digitalität von Verwaltung und Politik. Vorteile von KI in der Verwaltung können erleichterte Kontakte zu Bürgern, schnellere interne Kommunikationswege, eine Prozessoptimierung und die Vernetzung der Abteilungen und Ressorts sein.
Die Autorinnen und Autoren der TU Kaiserslautern, Fachgebiet Stadtsoziologie, des Deut-schen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz DFKI und des Fraunhofer-Instituts für Experimentelles Software-Engineering IESE erarbeiteten in einem Expertenworkshop verschiedene Szenarien zur Darstellung der zukünftigen Lebenssituationen kommunaler Gemeinschaften unter der An- und Verwendung von Digitalisierungstechnologien und KI im Jahr 2050. Die Chancen und Risiken für die unterschiedlichen Regionen und Lebens-bereiche in Rheinland-Pfalz wurden in zwei extremen Varianten skizziert und einander gegenübergestellt. Während der Dystopie-Zustand eine Zukunft zeichnet, in der die Märkte von wenigen Global-Playern mit enormer Datenhoheit und aggressiven Geschäftsmodellen dominiert wer-den, zeigt der Utopie-Zustand eine von Teilhabe und Mitbestimmung geprägte, digitale Zukunft: Die digitale Transformation wird durch Politik und Gesellschaft gleichermaßen gesteuert, Bürger haben volle Datenhoheit und bestimmen individuell und situationsspezifisch, wann und welche Daten sie veröffentlichen möchten. Neue Möglichkeiten der Arbeitsgestaltung und neue Mobilitätsformen haben zu einer Flexibilisierung und Attraktivitätssteigerung hinsichtlich des Lebens und Arbeitens auf dem Land beigetragen. Ethische Grundprinzipien, gesellschaftliche, wirtschaftliche und politische Anforderungen werden somit mit den technologischen Potenzialen optimal in Einklang gebracht.
Wie diese Stellungnahme anhand der entworfenen Utopie und Dystopie illustriert, ist die technische Entwicklung von gesellschaftlicher Steuerung und Regulierung abhängig. Vor diesem Hintergrund erfordert die digitale Transformation Gestaltungswillen, spezifische Kenntnisse und auch Regulierung. Bei Letzterem gilt es, sowohl die Daten als Rohmaterial für KI, die (digitale und KI-) Technologien selbst – ihre Entwicklung und Verwendung – sowie daraus resultierende Informationen bzw. Wissen zu unterscheiden. Die Empfehlung aus dem Gutachten lautet daher, Informationen über Potenziale und Risiken transparent zugänglich und bekannt zu machen, die Bevölkerung aktiv einzubinden und eine strukturierte Förderung zu leisten, um Insellösungen zu überwinden und stattdessen Standards und offene Infrastrukturen zu schaffen. Es besteht die Gefahr, dass sich beim Einführungsprozess nicht-legitimierte, von Spezialisten und der Privatwirtschaft dominierte Strukturen (Meta-Governance) etablieren.
Insgesamt gilt beim Prozess der digitalen Transformation, dass Lösungen aus der vor-digitalen Ära nicht einfach auf heutige und zukünftige Probleme angewendet werden können. Ferner ist die Diversität der Situationen vor Ort bei der digitalen Transformation zu berücksichtigen. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund des ländlich geprägten Rhein-land-Pfalz von Bedeutung.
Die örtlichen Verwaltungen unterliegen der digitalen Transformation ebenso wie andere Systeme und Lebensbereiche, sie sind in unterschiedlichem Maße in der Lage, die Chancen für lokale und regionale Interessen zu nutzen und ihre Interessen durchzusetzen. Kommunen und Landkreise benötigen Unterstützung, damit sie von anderen, z.B. Leuchtturm-Projekten, lernen und beraten werden können. Ein Gegenstromprinzip von zivilgesellschaftlichen bzw. lokalen Bottom-up-Prozessen und Top-down- Unterstützung durch das Land erscheint zielführend (z.B. im Tourismus).
Bei der Bevölkerung sind bezogen auf KI und Digitalisierung aktuell gegensätzliche Tendenzen zu verzeichnen: Einerseits nehmen die Erwartungen an eine digitalisierte und moderne Verwaltung zu. Andererseits stoßen insbesondere als komplexer wahrgenommene Aspekte wie KI auf Vorbehalte. Bei einem verantwortungsvollen Umgang kann KI ihr Potenzial entfalten, indem die Algorithmen und eingeführte Technologien hinsichtlich der Gesetzeslage sowie ethischer und moralischer Überlegungen überwacht und gesteuert wer-den. Ein verantwortungsvoller Umgang mit Daten basiert auf aufgeklärten Entscheidern, informierten Bürgern und der Unterstützung von „bürgerschützenden Regeln”, die Miss-brauch grundsätzlich erschweren und Verstöße ahnden.
Langfristige Aussagen über die konkrete Entwicklung und Auswirkung von KI und Digitalisierung lassen sich nicht treffen aufgrund der Geschwindigkeit und Sprunghaftigkeit der Entwicklungen. In Bildung und Wissenschaft sollten im Bereich von KI die Interdisziplinarität gestärkt, nachhaltige und langfristige Strukturen geschaffen werden, um die digitale Transformation begleitend und aktivierend zu erforschen.
Adjustment Effects of Maximum Intensity Tolerance During Whole-Body Electromyostimulation Training
(2019)
Intensity regulation during whole-body electromyostimulation (WB-EMS) training is mostly controlled by subjective scales such as CR-10 Borg scale. To determine objective training intensities derived from a maximum as it is used in conventional strength training using the one-repetition-maximum (1-RM), a comparable maximum in WB-EMS is necessary. Therefore, the aim of this study was to examine, if there is an individual maximum intensity tolerance plateau after multiple consecutive EMS application sessions. A total of 52 subjects (24.1 ± 3.2 years; 76.8 ± 11.1 kg; 1.77 ± 0.09 m) participated in the longitudinal, observational study (38 males, 14 females). Each participant carried out four consecutive maximal EMS applications (T1–T4) separated by 1 week. All muscle groups were stimulated successively until their individual maximum and combined to a whole-body stimulation index to carry out a possible statement for the development of the maximum intensity tolerance of the whole body. There was a significant main effect between the measurement times for all participants (p < 0.001; ????2 = 0.39) as well as gender specific for males (p = 0.001; ????2 = 0.18) and females (p < 0.001; ????2 = 0.57). There were no interaction effects of gender × measurement time (p = 0.394). The maximum intensity tolerance increased significantly from T1 to T2 (p = 0.001) and T2 to T3 (p < 0.001). There was no significant difference between T3 and T4 (p = 1.0). These results indicate that there is an adjustment of the individual maximum intensity tolerance to a WB-EMS training after three consecutive tests. Therefore, there is a need of several habituation units comparable to the identification of the individual 1-RM in conventional strength training. Further research should focus on an objective intensity-specific regulation of the WB-EMS based on the individual maximum intensity tolerance to characterize different training areas and therefore generate specific adaptations to a WB-EMS training compared to conventional strength training methods.
Visualization is vital to the scientific discovery process.
An interactive high-fidelity rendering provides accelerated insight into complex structures, models and relationships.
However, the efficient mapping of visualization tasks to high performance architectures is often difficult, being subject to a challenging mixture of hardware and software architectural complexities in combination with domain-specific hurdles.
These difficulties are often exacerbated on heterogeneous architectures.
In this thesis, a variety of ray casting-based techniques are developed and investigated with respect to a more efficient usage of heterogeneous HPC systems for distributed visualization, addressing challenges in mesh-free rendering, in-situ compression, task-based workload formulation, and remote visualization at large scale.
A novel direct raytracing scheme for on-the-fly free surface reconstruction of particle-based simulations using an extended anisoptropic kernel model is investigated on different state-of-the-art cluster setups.
The versatile system renders up to 170 million particles on 32 distributed compute nodes at close to interactive frame rates at 4K resolution with ambient occlusion.
To address the widening gap between high computational throughput and prohibitively slow I/O subsystems, in situ topological contour tree analysis is combined with a compact image-based data representation to provide an effective and easy-to-control trade-off between storage overhead and visualization fidelity.
Experiments show significant reductions in storage requirements, while preserving flexibility for exploration and analysis.
Driven by an increasingly heterogeneous system landscape, a flexible distributed direct volume rendering and hybrid compositing framework is presented.
Based on a task-based dynamic runtime environment, it enables adaptable performance-oriented deployment on various platform configurations.
Comprehensive benchmarks with respect to task granularity and scaling are conducted to verify the characteristics and potential of the novel task-based system design.
A core challenge of HPC visualization is the physical separation of visualization resources and end-users.
Using more tiles than previously thought reasonable, a distributed, low-latency multi-tile streaming system is demonstrated, being able to sustain a stable 80 Hz when streaming up to 256 synchronized 3840x2160 tiles and achieve 365 Hz at 3840x2160 for sort-first compositing over the internet, thereby enabling lightweight visualization clients and leaving all the heavy lifting to the remote supercomputer.
Many loads acting on a vehicle depend on the condition and quality of roads
traveled as well as on the driving style of the motorist. Thus, during vehicle development,
good knowledge on these further operations conditions is advantageous.
For that purpose, usage models for different kinds of vehicles are considered. Based
on these mathematical descriptions, representative routes for multiple user
types can be simulated in a predefined geographical region. The obtained individual
driving schedules consist of coordinates of starting and target points and can
thus be routed on the true road network. Additionally, different factors, like the
topography, can be evaluated along the track.
Available statistics resulting from travel survey are integrated to guarantee reasonable
trip length. Population figures are used to estimate the number of vehicles in
contained administrative units. The creation of thousands of those geo-referenced
trips then allows the determination of realistic measures of the durability loads.
Private as well as commercial use of vehicles is modeled. For the former, commuters
are modeled as the main user group conducting daily drives to work and
additional leisure time a shopping trip during workweek. For the latter, taxis as
example for users of passenger cars are considered. The model of light-duty commercial
vehicles is split into two types of driving patterns, stars and tours, and in
the common traffic classes of long-distance, local and city traffic.
Algorithms to simulate reasonable target points based on geographical and statistical
data are presented in detail. Examples for the evaluation of routes based
on topographical factors and speed profiles comparing the influence of the driving
style are included.
To exploit the whole potential of Additive Manufacturing (AM), a sound knowledge about the mechanical and especially cyclic properties of AM materials as well as their dependency on the process parameters is indispensable. In the presented work, the influence of chemical composition of the used powder on the fatigue behavior of Selectively Laser Melted (SLM) and Laser Deposition Welded (LDW) specimens made of austenitic stainless steel AISI 316L was investigated. Therefore, in each manufacturing process two variations of chemical composition of the used powder were utilized. For qualitative characterization of the materials cyclic deformation behavior, load increase tests (LITs) were performed and further used for the physically based lifetime calculation method (PhyBaLLIT), enabling an efficient determination of stress (S)–number of cycles to failure (Nf) curves (S–Nf), which show excellent correlation to additionally performed constant amplitude tests (CATs). Moreover, instrumented cyclic indentation tests (PhyBaLCHT) were utilized to characterize the materials’ defect tolerance in a comparably short time. All material variants exhibit a high influence of microstructural defects on the fatigue properties. Consequently, for the SLM process a higher fatigue lifetime at lower stress amplitudes could be observed for the batch with a higher defect tolerance, resulting from a more pronounced deformation induced austenite–α’-martensite transformation. In correspondence to that, the batch of LDW material with an increased defect tolerance exhibit a higher fatigue strength. However, the differences in defect tolerance between the LDW batches is only slightly influenced by phase transformation and seems to be mainly governed by differences in hardening potential of the austenitic microstructure. Furthermore, a significantly higher fatigue strength could be observed for SLM material in relation to LDW specimens, because of a refined microstructure and smaller microstructural defects of SLM specimens.
Die Deutschen Auslandsschulen (DAS) stellen bisher ein Desiderat in der Forschung dar. Diese Arbeit knüpft an dieser Stelle an und entwickelt Thesen sowie Hypothesen darüber, welche Rolle die die Personalfluktuation an DAS für deren Schulentwicklung spielt. Hierfür wurden Leitfadeninterviews mit Schulleitern an DAS geführt und qualitativ ausgewertet.
Die Interviewtranskripte wurden entfernt, um die Anonymität der Interviewten zu garantieren.
A distributional solution framework is developed for systems consisting of linear hyperbolic partial differential equations (PDEs) and switched differential algebraic equations (DAEs) which are coupled via boundary conditions. The unique solvability is then characterize in terms of a switched delay DAE. The theory is illustrated with an example of electric power lines modeled by the telegraph equations which are coupled via a switching transformer where simulations confirm the predicted impulsive solutions.
Wir zeigen an einigen Beispielen, wie man numerische Simulationen in Tabellenkalkulationsprogrammen (hier speziell in Excel) erzeugen kann. Diese können beispielsweise im Kontext von mathematischer Modellierung verwendet werden.
Die Beispiele umfassen ein Modell zur Ausbreitung von Krankheiten, die Flugkurve eines Fußballs unter Berücksichtigung von Luftreibung, eine Monte-Carlo-Simulation zur experimentellen Bestimmung von pi, eine Monte-Carlo-Simulation eines gemischten Kartenstapels und die Modellierung von Benzinpreisen mit einem Preistrend und Rauschen
Ultrahochfester Beton (UHB oder aus dem Englischen Ultra High Performance Concrete, kurz UHPC) weist eine Druckfestigkeit im Bereich von 150 bis 250 MPa auf. Eine gesteigerte Zugfestigkeit und ein duktiles Verhalten werden durch die Zugabe von Mikrostahlfasern erzielt (Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete, UHPFRC). Der Fasergehalt ist in der Regel höher als bei normalfestem Faserbeton, sodass aufgrund der Fasern ein „Strain-hardening“ Verhalten erreicht werden kann: in einem Biegezugversuch kann die Last nach der Erstrissbildung weiter gesteigert werden bis zur Ausbildung mehrerer feiner Risse. Da der Beitrag der Fasern zum Zugtragverhalten des UHPFRC ein wesentlicher ist, müssen die Bauteile im gerissenen Zustand bemessen werden. Während der statische und dynamische Widerstand bereits umfangreich untersucht wurde, liegen nur wenige Untersuchungen bezüglich das Dauerstandzugverhaltens von gerissenem ultrahochfestem Beton vor. Untersuchungen an normalfestem faserverstärktem Beton haben gezeigt, dass die zeitabhängigen Zugverformungen im gerissenen Zustand größer sind als die in ungerissenem Material.
Um die zu erwartenden Verformungen abschätzen zu können und um das Kriechverhalten des Materials bis zum Versagen zu analysieren, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein umfangreiches Versuchsprogramm durchgeführt. Über 60 uniaxiale Zug- und Biegezugprobekörper wurden unter Dauerlast über einen Zeitraum von bis zu 15 Monaten beansprucht. Davon wurden 22 Probekörper nach vier Monaten hinsichtlich ihrer Resttragfähigkeit getestet. Die restlichen Probekörper befinden sich für Langzeit-Messungen weiterhin in den Dauerlastprüfständen. Es wurden dabei verschiedene Parameter untersucht: u.a. das Belastungsniveau, Art und Umfang der Nachbehandlung des Betons, das Betonalter zu Beginn der Belastung, der Fasergehalt und die Faserschlankheit. Das Schwinden der unbelasteten Probekörper sowie das Druckkriechen belasteter Probekörper wurden an der verwendeten Mischung gemessen.
Der UHPFRC wies im Allgemeinen ein sehr stabiles Verhalten auf und es zeigte sich keine unkontrollierte Zunahme der Verformungen infolge eines Faserauszugs. Lediglich bei einem Probekörper kam es bei einer Last von 79% der aufgebrachten Last am Ende der Vorbelastung zum Versagen. Der Autor sieht dabei eine ungünstige Faserausrichtung als mögliche Ursache des frühzeitigen Versagens des Probekörpers an, was auf einen bedeutenden Einfluss dieses Parameters auf die Tragfähigkeit schließen lässt. Hinsichtlich der Bemessung von gerissenen UHPFRC-Bauteilen unter Dauerlast wurde ein Vorschlag für die Bemessung der Dauerstandfestigkeit ausgearbeitet.
Darüber hinaus wurden Faserauszugversuche durchgeführt und das Verbund-Schlupfverhalten der verwendeten Fasern ermittelt. Einige Probekörper wurden nach uniaxialen Zugversuchen per Computertomographie gescannt, um den Zusammenhang der Fasern im Versagensquerschnitt zur Zugfestigkeit der Probekörper zu untersuchen. Die untersuchten Probekörper wiesen unterschiedliche Zugfestigkeiten auf. Diese konnten durch die verschiedenen Faseranzahlen im Versagensquerschnitt gut abgebildet werden.
Shared memory concurrency is the pervasive programming model for multicore architectures
such as x86, Power, and ARM. Depending on the memory organization, each architecture follows
a somewhat different shared memory model. All these models, however, have one common
feature: they allow certain outcomes for concurrent programs that cannot be explained
by interleaving execution. In addition to the complexity due to architectures, compilers like
GCC and LLVM perform various program transformations, which also affect the outcomes of
concurrent programs.
To be able to program these systems correctly and effectively, it is important to define a
formal language-level concurrency model. For efficiency, it is important that the model is
weak enough to allow various compiler optimizations on shared memory accesses as well
as efficient mappings to the architectures. For programmability, the model should be strong
enough to disallow bogus “out-of-thin-air” executions and provide strong guarantees for well-synchronized
programs. Because of these conflicting requirements, defining such a formal
model is very difficult. This is why, despite years of research, major programming languages
such as C/C++ and Java do not yet have completely adequate formal models defining their
concurrency semantics.
In this thesis, we address this challenge and develop a formal concurrency model that is very
good both in terms of compilation efficiency and of programmability. Unlike most previous
approaches, which were defined either operationally or axiomatically on single executions,
our formal model is based on event structures, which represents multiple program executions,
and thus gives us more structure to define the semantics of concurrency.
In more detail, our formalization has two variants: the weaker version, WEAKEST, and the
stronger version, WEAKESTMO. The WEAKEST model simulates the promising semantics proposed
by Kang et al., while WEAKESTMO is incomparable to the promising semantics. Moreover,
WEAKESTMO discards certain questionable behaviors allowed by the promising semantics.
We show that the proposed WEAKESTMO model resolve out-of-thin-air problem, provide
standard data-race-freedom (DRF) guarantees, allow the desirable optimizations, and can be
mapped to the architectures like x86, PowerPC, and ARMv7. Additionally, our models are
flexible enough to leverage existing results from the literature to establish data-race-freedom
(DRF) guarantees and correctness of compilation.
In addition, in order to ensure the correctness of compilation by a major compiler, we developed
a translation validator targeting LLVM’s “opt” transformations of concurrent C/C++
programs. Using the validator, we identified a few subtle compilation bugs, which were reported
and were fixed. Additionally, we observe that LLVM concurrency semantics differs
from that of C11; there are transformations which are justified in C11 but not in LLVM and
vice versa. Considering the subtle aspects of LLVM concurrency, we formalized a fragment
of LLVM’s concurrency semantics and integrated it into our WEAKESTMO model.
In this thesis, we deal with the worst-case portfolio optimization problem occuring in discrete-time markets.
First, we consider the discrete-time market model in the presence of crash threats. We construct the discrete worst-case optimal portfolio strategy by the indifference principle in the case of the logarithmic utility. After that we extend this problem to general utility functions and derive the discrete worst-case optimal portfolio processes, which are characterized by a dynamic programming equation. Furthermore, the convergence of the discrete worst-case optimal portfolio processes are investigated when we deal with the explicit utility functions.
In order to further study the relation of the worst-case optimal value function in discrete-time models to continuous-time models we establish the finite-difference approach. By deriving the discrete HJB equation we verify the worst-case optimal value function in discrete-time models, which satisfies a system of dynamic programming inequalities. With increasing degree of fineness of the time discretization, the convergence of the worst-case value function in discrete-time models to that in continuous-time models are proved by using a viscosity solution method.
Low damping magnetic properties and perpendicular magnetic anisotropy in the Heusler alloy Fe1.5CoGe
(2019)
We present a study of the dynamic magnetic properties of TiN-buffered epitaxial thin films of the Heusler alloy Fe1.5CoGe. Thickness series annealed at different temperatures are prepared and the magnetic damping is measured, a lowest value of α = 2.18 × 10−3 is obtained. The perpendicular magnetic anisotropy properties in Fe1.5CoGe/MgO are also characterized. The evolution of the interfacial perpendicular anisotropy constant K⊥S with the annealing temperature is shown and compared with the widely used CoFeB/MgO interface. A large volume contribution to the perpendicular anisotropy of (4.3 ± 0.5) × 105 J/m3 is also found, in contrast with vanishing bulk contribution in common Co- and Fe-based Heusler alloys.