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The main aim of this work was to obtain an approximate solution of the seismic traveltime tomography problems with the help of splines based on reproducing kernel Sobolev spaces. In order to be able to apply the spline approximation concept to surface wave as well as to body wave tomography problems, the spherical spline approximation concept was extended for the case where the domain of the function to be approximated is an arbitrary compact set in R^n and a finite number of discontinuity points is allowed. We present applications of such spline method to seismic surface wave as well as body wave tomography, and discuss the theoretical and numerical aspects of such applications. Moreover, we run numerous numerical tests that justify the theoretical considerations.
In this paper we construct spline functions based on a reproducing kernel Hilbert space to interpolate/approximate the velocity field of earthquake waves inside the Earth based on traveltime data for an inhomogeneous grid of sources (hypocenters) and receivers (seismic stations). Theoretical aspects including error estimates and convergence results as well as numerical results are demonstrated.
Thermoelasticity represents the fusion of the fields of heat conduction and elasticity in solids and is usually characterized by a twofold coupling. Thermally induced stresses can be determined as well as temperature changes caused by deformations. Studying the mutual influence is subject of thermoelasticity. Usually, heat conduction in solids is based on Fourier’s law which describes a diffusive process. It predicts unnatural infinite transmission speed for parts of local heat pulses. At room temperature, for example, these parts are strongly damped. Thus, in these cases most engineering applications are described satisfactorily by the classical theory. However, in some situations the predictions according to Fourier’s law fail miserable. One of these situations occurs at temperatures near absolute zero, where the phenomenon of second sound1 was discovered in the 20th century. Consequently, non-classical theories experienced great research interest during the recent decades. Throughout this thesis, the expression “non-classical” refers to the fact that the constitutive equation of the heat flux is not based on Fourier’s law. Fourier’s classical theory hypothesizes that the heat flux is proportional to the temperature gradient. A new thermoelastic theory, on the one hand, needs to be consistent with classical thermoelastodynamics and, on the other hand, needs to describe second sound accurately. Hence, during the second half of the last century the traditional parabolic heat equation was replaced by a hyperbolic one. Its coupling with elasticity leads to non-classical thermomechanics which allows the modeling of second sound, provides a passage to the classical theory and additionally overcomes the paradox of infinite wave speed. Although much effort is put into non-classical theories, the thermoelastodynamic community has not yet agreed on one approach and a systematic research is going on worldwide.Computational methods play an important role for solving thermoelastic problems in engineering sciences. Usually this is due to the complex structure of the equations at hand. This thesis aims at establishing a basic theory and numerical treatment of non-classical thermoelasticity (rather than dealing with special cases). The finite element method is already widely accepted in the field of structural solid mechanics and enjoys a growing significance in thermal analyses. This approach resorts to a finite element method in space as well as in time.
The nowadays increasing number of fields where large quantities of data are collected generates an emergent demand for methods for extracting relevant information from huge databases. Amongst the various existing data mining models, decision trees are widely used since they represent a good trade-off between accuracy and interpretability. However, one of their main problems is that they are very instable, which complicates the process of the knowledge discovery because the users are disturbed by the different decision trees generated from almost the same input learning samples. In the current work, binary tree classifiers are analyzed and partially improved. The analysis of tree classifiers goes from their topology from the graph theory point of view to the creation of a new tree classification model by means of combining decision trees and soft comparison operators (Mlynski, 2003) with the purpose to not only overcome the well known instability problem of decision trees, but also in order to confer the ability of dealing with uncertainty. In order to study and compare the structural stability of tree classifiers, we propose an instability coefficient which is based on the notion of Lipschitz continuity and offer a metric to measure the proximity between decision trees. This thesis converges towards its main part with the presentation of our model ``Soft Operators Decision Tree\'\' (SODT). Mainly, we describe its construction, application and the consistency of the mathematical formulation behind this. Finally we show the results of the implementation of SODT and compare numerically the stability and accuracy of a SODT and a crisp DT. The numerical simulations support the stability hypothesis and a smaller tendency to overfitting the training data with SODT than with crisp DT is observed. A further aspect of this inclusion of soft operators is that we choose them in a way so that the resulting goodness function (used by this method) is differentiable and thus allows to calculate the best split points by means of gradient descent methods. The main drawback of SODT is the incorporation of the unpreciseness factor, which increases the complexity of the algorithm.
The provision of quality-of-service (QoS) on the network layer is a major challenge in communication networks. This applies particularly to mobile ad-hoc networks (MANETs) in the area of Ambient Intelligence (AmI), especially with the increasing use of delay and bandwidth sensitive applications. The focus of this survey lies on the classification and analysis of selected QoS routing protocols in the domain of mobile ad-hoc networks. Each protocol is briefly described and assessed, and the results are summarized in multiple tables.
Unternehmen sind heute mit einem globalen Wettbewerb und großen Herausforderungen konfrontiert, wie z. B. kurzen Produktlebenszyklen oder hohen Anforderungen an die Prozess- und Ergebnissicherheit. Verschiedene daten- und technologiegetriebene sowie prozessorientierte Ansätze der Produktionsgestaltung versuchen, Lösungen für Produktionssysteme zu entwickeln, um diese Herausforderungen zu bewältigen und im globalen Wettbewerb bestehen zu können. Jede einzelne Richtung der Produktionsgestaltung weist dabei Vorteile und Defizite auf. Durch „Smart Production Systems“ werden die Grundideen der einzelnen Ansätze, die bisher als unvereinbar galten, zusammengeführt. Dadurch können einzelne Defizite ausgeglichen werden, ohne auf die bekannten Vorteile zu verzichten. Der Grundgedanke von „Smart Production Systems“ ist es, „wissensinkorporierte Objekte“ in Produktionsprozessen einzusetzen, um die Abläufe jederzeit nachvollziehbar und damit das zugehörige Produktionssystem sicher, effizient und flexibel zu gestalten. Wissensinkorporierte Objekte stellen dabei Produktionsobjekte dar, die neben ihrer eigentlichen Funktion informationstechnische Funktionen besitzen, mittels derer sie Daten speichern und wieder bereitstellen können. Der Einsatz wissensinkorporierter Objekte in „Smart Production Systems“ kann mit Hilfe des Konzepts Gestaltungswürfels „Smart Cube“ strukturiert analysiert, geplant, konzeptioniert, bewertet, implementiert, genutzt und gesichert werden. Das Konzept des Gestaltungswürfels „Smart Cube“ wird durch ein Organisations-, ein Referenz-, ein Umsetzungsmodell und mehrere spezifische Anwendungsmodelle beschrieben: 1) Das Organisationsmodell erläutert als Ansatzpunkt von „Smart Production Systems“ die Stellung des Informationsflusses und Materialfluss sowie den Zusammenhang zwischen Datenmenge und Entscheidungsreichweite innerhalb einer Produktionsorganisation. 2) Das Referenzmodell wird aus den drei räumlichen Achsen Wirkungs-, Objekt- und Prozess- sowie Informationsstruktur aufgebaut. Es erfüllt folgende Aufgaben: - Es beschreibt die grundsätzlichen Ausprägungen von Wirkungs-, Objekt- und Prozess- sowie Informationsstrukturen und deren Kombinationsmöglichkeiten innerhalb von Produktionssystemen. - Es erläutert die Zusammenhänge zwischen Technologie-, Logistik- und Kommunikationskomplexität und ermöglicht damit die Einordnung von spezifischen Produktionssystemen in das Referenzmodell. - Mit den verschiedenen Koordinaten der einzelnen Achsen liefert es eine Systematik zur Bezeichnung der verschiedenen möglichen Kombinationen, die es ermöglicht, Anwendungsmodelle aus dem Referenzmodell abzuleiten. 3) Die Anwendungsmodelle konkretisieren das Referenzmodell hinsichtlich der in einem Produktionssystem enthaltenen Objekte und Prozesse. Aufgrund der verschiedenen möglichen Kombinationen der Ausprägungen der einzelnen Strukturen im Referenzmodell lassen sich 27 verschiedene Anwendungsmodelle bilden. 4) Das Umsetzungsmodell beschreibt das Vorgehen bei der Gestaltung von Produktionssystemen mit Hilfe des Gestaltungswürfels „Smart Cube“ . Am Beispiel eines Neugestaltungsprojektes in einem Unternehmen aus der Automobilzulieferindustrie wird gezeigt, wie mit Hilfe des entwickelten Konzeptes Gestaltungswürfel „Smart Cube“ der Einsatz von wissensinkorporierten Objekten systematisch gestaltet werden kann: - Mit der Gestaltung von Kanbankarten zu wissensinkorporierten Objekten kann der manuelle Buchungsaufwand minimiert und der Anteil nicht-wertschöpfender Tätigkeiten klein gehalten werden. - Mit Hilfe des Einsatzes wissensinkorporierter Objekte in einem Fabriksystem können Zielkonflikte zwischen Sicherheit und Effizienz gelöst werden.
Calibration of robots has become a research field of great importance over the last decades especially in the field industrial robotics. The main reason for this is that the field of application was significantly broadened due to an increasing number of fully automated or robot assisted tasks to be performed. Those applications require significantly higher level of accuracy due to more delicate tasks that need to be fulfilled (e.g. assembly in the semiconductor industry or robot assisted medical surgery). In the past, (industrial) robot calibration had to be performed manually for every single robot under lab conditions in a long and cost intensive process. Expensive and complex measurement systems had to be operated by highly trained personnel. The result of this process is a set of measurements representing the robot pose in the task space (i.e. world coordinate system) and as joint encoder values. To determine the deviation, the robot pose indicated by the internal joint encoder values has to be compared to the physical pose (i.e. external measurement data). Hence, the errors in the kinematic model of the robot can be computed and therefore later on compensated. These errors are inevitable and caused by varying manufacturing tolerances and other sources of error (e.g. friction and deflection). They have to be compensated in order to achieve sufficient accuracy for the given tasks. Furthermore for performance, maintenance, or quality assurance reasons the robots may have to undergo the calibration process in constant time intervals to monitor and compensate e.g. ageing effects such as wear and tear. In modern production processes old fashioned procedures like the one mentioned above are no longer suitable. Therefore a new method has to be found that is less time consuming, more cost effective, and involves less (or in the long term even no) human interaction in the calibration process.
Guaranteeing correctness of compilation is a ma jor precondition for correct software. Code generation can be one of the most error-prone tasks in a compiler. One way to achieve trusted compilation is certifying compilation. A certifying compiler generates for each run a proof that it has performed the compilation run correctly. The proof is checked in a separate theorem prover. If the theorem prover is content with the proof, one can be sure that the compiler produced correct code. This paper presents a certifying code generation phase for a compiler translating an intermediate language into assembler code. The time spent for checking the proofs is the bottleneck of certifying compilation. We exhibit an improved framework for certifying compilation and considerable advances to overcome this bottleneck. We compare our implementation featuring the Coq theorem prover to an older implementation. Our current implementation is feasible for medium to large sized programs.
Abstraction is intensively used in the verification of large, complex or infinite-state systems. With abstractions getting more complex it is often difficult to see whether they are valid. However, for using abstraction in model checking it has to be ensured that properties are preserved. In this paper, we use a translation validation approach to verify property preservation of system abstractions. We formulate a correctness criterion based on simulation between concrete and abstract system for a property to be verified. For each distinct run of the abstraction procedure the correctness is verified in the theorem prover Isabelle/HOL. This technique is applied in the verification of embedded adaptive systems. This paper is an extended version a previously published work.
In this thesis we classify simple coherent sheaves on Kodaira fibers of types II, III and IV (cuspidal and tacnode cubic curves and a plane configuration of three concurrent lines). Indecomposable vector bundles on smooth elliptic curves were classified in 1957 by Atiyah. In works of Burban, Drozd and Greuel it was shown that the categories of vector bundles and coherent sheaves on cycles of projective lines are tame. It turns out, that all other degenerations of elliptic curves are vector-bundle-wild. Nevertheless, we prove that the category of coherent sheaves of an arbitrary reduced plane cubic curve, (including the mentioned Kodaira fibers) is brick-tame. The main technical tool of our approach is the representation theory of bocses. Although, this technique was mainly used for purely theoretical purposes, we illustrate its computational potential for investigating tame behavior in wild categories. In particular, it allows to prove that a simple vector bundle on a reduced cubic curve is determined by its rank, multidegree and determinant, generalizing Atiyah's classification. Our approach leads to an interesting class of bocses, which can be wild but are brick-tame.
In this paper, a stochastic model [5] for the turbulent fiber laydown in the industrial production of nonwoven materials is extended by including a moving conveyor belt. In the hydrodynamic limit corresponding to large noise values, the transient and stationary joint probability distributions are determined using the method of multiple scales and the Chapman-Enskog method. Moreover, exponential convergence towards the stationary solution is proven for the reduced problem. For special choices of the industrial parameters, the stochastic limit process is an Ornstein{Uhlenbeck. It is a good approximation of the fiber motion even for moderate noise values. Moreover, as shown by Monte{Carlo simulations, the limiting process can be used to assess the quality of nonwoven materials in the industrial application by determining distributions of functionals of the process.
Embedded systems have become ubiquitous in everyday life, and especially in the automotive industry. New applications challenge their design by introducing a new class of problems that are based on a detailed analysis of the environmental situation. Situation analysis systems rely on models and algorithms of the domain of computational geometry. The basic model is usually an Euclidean plane, which contains polygons to represent the objects of the environment. Usual implementations of computational geometry algorithms cannot be directly used for safety-critical systems. First, a strict analysis of their correctness is indispensable and second, nonfunctional requirements with respect to the limited resources must be considered. This thesis proposes a layered approach to a polygon-processing system. On top of rational numbers, a geometry kernel is formalised at first. Subsequently, geometric primitives form a second layer of abstraction that is used for plane sweep and polygon algorithms. These layers do not only divide the whole system into manageable parts but make it possible to model problems and reason about them at the appropriate level of abstraction. This structure is used for the verification as well as the implementation of the developed polygon-processing library.
This work presents a new framework for Gröbner basis computations with Boolean polynomials. Boolean polynomials can be modeled in a rather simple way, with both coefficients and degree per variable lying in {0, 1}. The ring of Boolean polynomials is, however, not a polynomial ring, but rather the quotient ring of the polynomial ring over the field with two elements modulo the field equations x2 = x for each variable x. Therefore, the usual polynomial data structures seem not to be appropriate for fast Gröbner basis computations. We introduce a specialized data structure for Boolean polynomials based on zero-suppressed binary decision diagrams (ZDDs), which is capable of handling these polynomials more efficiently with respect to memory consumption and also computational speed. Furthermore, we concentrate on high-level algorithmic aspects, taking into account the new data structures as well as structural properties of Boolean polynomials. For example, a new useless-pair criterion for Gröbner basis computations in Boolean rings is introduced. One of the motivations for our work is the growing importance of formal hardware and software verification based on Boolean expressions, which suffer – besides from the complexity of the problems – from the lack of an adequate treatment of arithmetic components. We are convinced that algebraic methods are more suited and we believe that our preliminary implementation shows that Gröbner bases on specific data structures can be capable to handle problems of industrial size.
Given an undirected, connected network G = (V,E) with weights on the edges, the cut basis problem is asking for a maximal number of linear independent cuts such that the sum of the cut weights is minimized. Surprisingly, this problem has not attained as much attention as its graph theoretic counterpart, the cycle basis problem. We consider two versions of the problem, the unconstrained and the fundamental cut basis problem. For the unconstrained case, where the cuts in the basis can be of an arbitrary kind, the problem can be written as a multiterminal network flow problem and is thus solvable in strongly polynomial time. The complexity of this algorithm improves the complexity of the best algorithms for the cycle basis problem, such that it is preferable for cycle basis problems in planar graphs. In contrast, the fundamental cut basis problem, where all cuts in the basis are obtained by deleting an edge, each, from a spanning tree T is shown to be NP-hard. We present heuristics, integer programming formulations and summarize first experiences with numerical tests.
The lattice Boltzmann method (LBM) is a numerical solver for the Navier-Stokes equations, based on an underlying molecular dynamic model. Recently, it has been extended towardsthe simulation of complex fluids. We use the asymptotic expansion technique to investigate the standard scheme, the initialization problem and possible developments towards moving boundary and fluid-structure interaction problems. At the same time, it will be shown how the mathematical analysis can be used to understand and improve the algorithm. First of all, we elaborate the tool "asymptotic analysis", proposing a general formulation of the technique and explaining the methods and the strategy we use for the investigation. A first standard application to the LBM is described, which leads to the approximation of the Navier-Stokes solution starting from the lattice Boltzmann equation. As next, we extend the analysis to investigate origin and dynamics of initial layers. A class of initialization algorithms to generate accurate initial values within the LB framework is described in detail. Starting from existing routines, we will be able to improve the schemes in term of efficiency and accuracy. Then we study the features of a simple moving boundary LBM. In particular, we concentrate on the initialization of new fluid nodes created by the variations of the computational fluid domain. An overview of existing possible choices is presented. Performing a careful analysis of the problem we propose a modified algorithm, which produces satisfactory results. Finally, to set up an LBM for fluid structure interaction, efficient routines to evaluate forces are required. We describe the Momentum Exchange algorithm (MEA). Precise accuracy estimates are derived, and the analysis leads to the construction of an improved method to evaluate the interface stresses. In conclusion, we test the defined code and validate the results of the analysis on several simple benchmarks. From the theoretical point of view, in the thesis we have developed a general formulation of the asymptotic expansion, which is expected to offer a more flexible tool in the investigation of numerical methods. The main practical contribution offered by this work is the detailed analysis of the numerical method. It allows to understand and improve the algorithms, and construct new routines, which can be considered as starting points for future researches.
Stadtentwicklungsplanung erfährt in Mittelstädten im Strukturwandel und Schrumpfungsprozess einen Bedeu-tungszuwachs. Die Renaissance einer umfassenderen integrierten Entwicklungsplanung durch die Programme „Soziale Stadt“ und „Stadtumbau-West“ führt dazu, dass ressortübergreifende Zusammenarbeit innerhalb der Kommunalverwaltung einer Steuerung durch die Stadtentwicklungsplanung bedarf. Die Aufgabe der Erstellung integrativer Konzepte, der Beobachtung von Entwicklungsprozessen, der Schaffung von Ämternetzwerken und besonderer Organisationsformen außerhalb der Hierarchie im Rahmen des Projektmanagements, die Aktivierung der Bürgerschaft und neue Formen der Zusammenarbeit mit wirtschaftlichen Akteuren erfordern eine stärkere Einbeziehung der Stadtentwicklungsplanung in die strategische Verantwortung im Rahmen des Neuen Steuerungsmodells. Schrumpfende Städte bedürfen einer verstärkten Teilhabe aller Bevölkerungsgruppen an einer nachhaltigen Stadtentwicklung. Die kommunale Finanznotlage und ein verstärktes Demokratiebedürfnis führen zu einer Forderung nach einer aktiven Bürgerkommune, die Teilbereiche des öffentlichen Lebens übernimmt. Der Wandel im Selbstverständnis der Verwaltung vom government zur governance ist untrennbar verbunden mit einer verstärkten Einbeziehung der gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Akteure in die Stadtentwicklung und führt zu einem neuen Rollenverständnis der Stadtentwicklungsplanung. Die vergangenen Anforderungen der Industriegesellschaft unterscheiden sich von den aktuellen Anforderungen der Dienstleistungs- und Wissensgesellschaft an die städtische Infrastruktur und Gesellschaft. Nachhaltigkeit einer neu zu erarbeitenden Stadtentwicklungsstrategie kann daher nur erzeugt werden, wenn die Änderungsprozesse erfasst und in das Anforderungsprofil der Stadtentwicklung miteinbezogen werden. Zusammen mit den Forderungen nach mehr Partizipation und Kommunikation folgt daraus für die Raumplanung, dass nicht nur ein verantwortungsvoller und handwerklich genauer Einsatz der ingenieurwissenschaftlichen Methoden und Instrumente gefragt ist, sondern auch im verstärkten Maße eine soziale und kommunikative Kompetenz der Planerinnen und Planer gefordert ist. Vor dem Hintergrund der aktuellen Schrumpfungsprozesse und dem Wandel der Industriegesellschaft zur Dienstleistungs- und Wissensgesellschaft wird dem in der wissenschaftlichen Diskussion teilweise in Frage gestellten Leitbild der Europäischen Stadt eine neue Bedeutung zugemessen. Indem die Kernstädte Infrastruktur-leistungen bündeln, ein größeres Angebot für verschiedene Lebensstile zulassen und als Kommunikations- und Knotenpunkt für neue Akteure in der Dienstleistungs- und Wissensgesellschaft dienen, wächst wieder die Be-deutung der Kernstädte im Verhältnis zu den Umlandgemeinden. Zusammenfassend ist festzustellen, dass eine nachhaltige zukunftsorientierte Urban Governance geprägt ist von einer kommunalen Kooperations- und Kommunikationsstruktur, in der Politik, Verwaltung – und hier insbeson-dere die Stadtentwicklungsplanung- gemeinsam mit den Akteuren aus Bürgerschaft und Wirtschaft tragfähige Visionen entwickeln, Ziele und Maßnahmen formulieren und gemeinsam realisieren.
The provision of network Quality-of-Service (network QoS) in wireless (ad-hoc) networks is a major challenge in the development of future communication systems. Before designing and implementing these systems, the network QoS requirements are to be specified. Existing approaches to the specification of network QoS requirements are mainly focused on specific domains or individual system layers. In this paper, we present a holistic, comprehensive formalization of network QoS requirements, across layers. QoS requirements are specified on each layer by defining QoS domain, consisting of QoS performance, reliability, and guarantee, and QoS scalability, with utility and cost functions. Furthermore, we derive preorders on multi-dimensional QoS domains, and present criteria to reduce these domains, leading to a manageable subset of QoS values that is sufficient for system design and implementation. We illustrate our approach by examples from the case study Wireless Video Transmission.
The provision of network Quality-of-Service (network QoS) in wireless (ad-hoc) networks is a major challenge in the development of future communication systems. Before designing and implementing these systems, the network QoS requirements are to be specified. Since QoS functionalities are integrated across layers and hence QoS specifications exist on different system layers, a QoS mapping technique is needed to translate the specifications into each other. In this paper, we formalize the relationship between layers. Based on a comprehensive and holistic formalization of network QoS requirements, we define two kinds of QoS mappings. QoS domain mappings associate QoS domains of two abstraction levels. QoS scalability mappings associate utility and cost functions of two abstraction levels. We illustrate our approach by examples from the case study Wireless Video Transmission.
The performance of oil filters used in the automotive industry can be significantly improved, especially when computer simulation is an essential component of the design process. In this paper, we consider parallel numerical algorithms for solving mathematical models describing the process of filtration, filtering out solid particles from liquid oil. The Navier-Stokes-Brinkmann system of equations is used to describe the laminar flow of incompressible isothermal oil. The space discretization in the complicated filter geometry is based on the finite-volume method. Special care is taken for an accurate approximation of velocity and pressure on the interface between the fluid and the porous media. The time discretization used here is a proper modification of the fractional time step discretization (cf. Chorin scheme) of the Navier-Stokes equations, where the Brinkmann term is considered at both, prediction and correction substeps. A data decomposition method is used to develop a parallel algorithm, where the domain is distributed among processors by using a structured reference grid. The MPI library is used to implement the data communication part of the algorithm. A theoretical model is proposed for the estimation of the complexity of the given parallel algorithm and a scalability analysis is done on the basis of this model. Results of computational experiments are presented, and the accuracy and efficiency of the parallel algorithm is tested on real industrial geometries.
The scope of this diploma thesis is to examine the four generations of asset pricing models and the corresponding volatility dynamics which have been devepoled so far. We proceed as follows: In chapter 1 we give a short repetition of the Black-Scholes first generation model which assumes a constant volatility and we show that volatility should not be modeled as constant by examining statistical data and introducing the notion of implied volatility. In chapter 2, we examine the simplest models that are able to produce smiles or skews - local volatility models. These are called second generation models. Local volatility models model the volatility as a function of the stock price and time. We start with the work of Dupire, show how local volatility models can be calibrated and end with a detailed discussion of the constant elasticity of volatility model. Chapter 3 focuses on the Heston model which represents the class of the stochastic volatility models, which assume that the volatility itself is driven by a stochastic process. These are called third generation models. We introduce the model structure, derive a partial differential pricing equation, give a closed-form solution for European calls by solving this equation and explain how the model is calibrated. The last part of chapter 3 then deals with the limits and the mis-specifications of the Heston model, in particular for recent exotic options like reverse cliquets, Accumulators or Napoleons. In chapter 4 we then introduce the Bergomi forward variance model which is called fourth generation model as a consequence of the limits of the Heston model explained in chapter 3. The Bergomi model is a stochastic local volatility model - the spot price is modeled as a constant elasticity of volatility diffusion and its volatility parameters are functions of the so called forward variances which are specified as stochastic processes. We start with the model specification, derive a partial differential pricing equation, show how the model has to be calibrated and end with pricing examples and a concluding discussion.
In this paper we propose a general approach solution method for the single facility ordered median problem in the plane. All types of weights (non-negative, non-positive, and mixed) are considered. The big triangle small triangle approach is used for the solution. Rigorous and heuristic algorithms are proposed and extensively tested on eight different problems with excellent results.
Mit der Novellierung des Energiewirtschaftsgesetzes im Jahr 2005 wurde die Bundesnetzagentur damit beauftragt, ein Regulierungskonzept für den Energiesektor zu entwickeln. Im Sommer 2006 hat die Regulierungsbehörde einen Entwurf zur Anreizregulierung vorgelegt, der in Form einer Verordnung im Sommer 2007 in Kraft treten wird. Die Anwendung der Anreizregulierung ab dem 1.1.2009 ist ein weiterer Meilenstein auf dem Weg zum angepeilten wettbewerbsorientierten und nachhaltigen Stromsystem. Dieses Ziel wird seit Beginn der Liberalisierung in den 90er Jahren vor allem auf gesamteuropäischer Ebene verfolgt, und Schritt für Schritt auf die nationale Ebene übertragen. Da die Netzentgeltregulierung wie in den meisten europäischen Ländern auch in Deutschland als Anreizregulierung ausgestaltet wird, besteht die Herausforderung darin,in diesem Verfahren die Anreize so zu setzen, dass die Netzbetreiber den angedeuteten Umbau des Stromsystems im eigenen ökonomischen Interesse unterstützen oder ihn zumindest nicht behindern. Ziel dieser Arbeit ist es das Regulierungskonzept der Bundesnetzagentur daraufhin zu untersuchen, welche Anreizstrukturen für Stromnetzbetreiber geschaffen werden. Schließlich ergibt sich aus den Regulierungsanreizen die Bedeutung der Anreizregulierung für dezentrale Stromversorgung. Als Maßstab für den Grad der Zielerreichnung dient das Ideal des gleichberechtigten Spielfeldes, das einen Handlungsrahmen setzt, in dem faire Bedingungen sowohl für dezentrale als auch für zentrale Stromoptionen herrschen.
Software stellt ein komplexes Werkzeug dar, das durch seine umfassenden Möglichkeiten die moderne Gesellschaft entscheidend geprägt hat. Daraus ergibt sich eine Abhängigkeit von Funktion und Fehlfunktion der Software, die eine an den funktionalen Anforderungen orientierte Entwicklung und Qualitätssicherung der Software notwendig macht. Die vorliegende Arbeit schafft durch Formalisierung und Systematisierung der Verfahren im funktionsorientierten Test eine fundierte Basis für eine Hinwendung zu den funktionsorientierten Techniken in Softwareentwicklung und –qualitätssicherung. Hierzu wird in der Arbeit zunächst ein formales Modell für das Vorgehen im dynamischen Test beschrieben, das sich an der Begriffsbildung der Literatur und dem Verständnis der Praxis orientiert. Das Modell beruht auf wenigen zentralen Annahmen, eignet sich für formale Untersuchungen und Nachweise und ist wegen seiner sehr allgemein gehaltenen Definitionen breit anwendbar und einfach erweiterbar. Auf dieser Basis werden Vorgehen und Verfahren zum funktionsorientierten Test analysiert. Zunächst wird dazu das Vorgehen im funktionsorientierten Test im Rahmen des Modells dargestellt. Darauf aufbauend werden zentrale Verfahren des funktionsorientierten Tests analysiert, die zum Gegenstand die systematische Prüfung der Umsetzung von weitgehend informal beschriebenen Anforderungen in einem Softwareprodukt haben. Betrachtet werden Verfahren der funktionalen Partitionierung, der funktionalen Äquivalenzklassenanalyse und Grenzwertbildung, Verfahren zur Prüfung von kausalen Zusammenhängen zwischen Ursachen und Wirkungen, Verfahren zur Prüfung von graphisch spezifizierter Funktionalität in Syntaxdiagrammen, Aktivitätsdiagrammen, Sequenz- und Kollaborationsdiagrammen und Petrinetzen, Verfahren zum Test zustandsbasierter Systeme sowie Ansätze einer funktionalen Dekomposition. Die Analyse und Diskussion der bekannten Verfahren im formalisierten Rahmenwerk führt zu zahlreichen Ergebnissen und Verfahrensergänzungen. So zeigt sich, dass in den klassischen, informalen Beschreibungen häufig Unklarheiten bestehen. Diese werden hier adressiert und durch Angabe von Kriterien präzisiert, Optimierungsmöglichkeiten werden aufgezeigt. Darüber hinaus wird an der einheitlichen formalen Darstellung der in der Literatur meist separat betrachteten Verfahren deutlich, welche Vergleichbarkeit zwischen den Verfahren besteht, welche Verfahrenskombinationen sinnvoll sind und wie durch ein kombiniert funktions- und strukturorientiertes Vorgehen eine hohe Aussagekraft in der analytischen Qualitätssicherung erreicht werden kann. Bei der Formulierung der Verfahren im Rahmen des Modells wird herausgearbeitet, wo zur Verfahrensdurchführung die kreative Leistung des Testers notwendig ist und welche Anteile formalisiert und damit automatisiert unterstützt werden können. Diese Betrachtungen bilden die Grundlage für die Skizzierung einer integrierten Entwicklungsumgebung, in der ein funktionsorientiertes Vorgehen in Entwicklung und Qualitätssicherung umgesetzt wird: Hier helfen funktionsorientierte Beschreibungsformen bei der Angabe der Spezifikation, ihrer Verfeinerung und ihrer Vervollständigung, sie unterstützen die Entwicklung durch Modellbildung, sie liefern die Basis für eine funktionsorientierte Testdatenselektion mit Adäquatheitsprüfung, sie können bei geeigneter Interpretierbarkeit über den Datenbereichen zur automatisierten Testfallgenerierung genutzt werden und unterstützen als suboptimale Testorakel eine automatisierte Auswertung des dynamischen Tests. Diese Skizze zeigt die praktische Umsetzbarkeit der vorwiegend theoretischen Ergebnisse dieser Arbeit und setzt einen Impuls für ein verstärktes Aufgreifen funktionsorientierter Techniken in Wissenschaft und Praxis.
While in classical scheduling theory the locations of machines are assumed to be fixed we will show how to tackle location and scheduling problems simultaneously. Obviously, this integrated approach enhances the modeling power of scheduling for various real-life problems. In this paper, we present in an exemplary way theory and a solution algorithm for a specific type of a scheduling and a rather general, planar location problem, respectively. More general results and a report on numerical tests will be presented in a subsequent paper.
Two-level domain decomposition preconditioner for 3D flows in anisotropic highly heterogeneous porous media is presented. Accurate finite volume discretization based on multipoint flux approximation (MPFA) for 3D pressure equation is employed to account for the jump discontinuities of full permeability tensors. DD/MG type preconditioner for above mentioned problem is developed. Coarse scale operator is obtained from a homogenization type procedure. The influence of the overlapping as well as the influence of the smoother and cell problem formulation is studied. Results from numerical experiments are presented and discussed.
An efficient approach for calculating the effective heat conductivity for a class of industrial composite materials, such as metal foams, fibrous glass materials, and the like, is discussed. These materials, used in insulation or in advanced heat exchangers, are characterized by a low volume fraction of the highly conductive material (glass or metal) having a complex, network-like structure and by a large volume fraction of the insulator (air). We assume that the composite materials have constant macroscopic thermal conductivity tensors, which in principle can be obtained by standard up-scaling techniques, that use the concept of representative elementary volumes (REV), i.e. the effective heat conductivities of composite media can be computed by post-processing the solutions of some special cell problems for REVs. We propose, theoretically justify, and numerically study an efficient approach for calculating the effective conductivity for media for which the ratio of low and high conductivities satisfies 1. In this case one essentially only needs to solve the heat equation in the region occupied by the highly conductive media. For a class of problems we show, that under certain conditions on the microscale geometry, the proposed approach produces an upscaled conductivity that is O() close to the exact upscaled permeability. A number of numerical experiments are presented in order to illustrate the accuracy and the limitations of the proposed method. Applicability of the presented approach to upscaling other similar problems, e.g. flow in fractured porous media, is also discussed.
Wässrige Lösungen sowohl neutraler als auch ionischer Polymerer gewinnen ein zunehmendes Interesse in vielen Bereichen. Für den Einsatz solcher Systeme muss deren Phasenverhalten bekannt sein. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum Phasengleichgewicht solcher Systeme. Als Bausteine der Polymere werden dabei sowohl die neutrale organischen Komponente Vinylpyrrolidon (VP) als auch ein ionisches Monomer auf Basis von Imidazolium (3-Methyl-1-vinyl-1H-Imidazoliummethylsulfat - QVI), als niedrigmolekularer Elektrolyt ausschließlich Natriumsulfat verwendet. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, das Phasenverhalten einer Reihe technisch interessierender Systeme in experimentellen Untersuchungen bei 25 und 65°C zu bestimmen und damit eine Datenbasis für theoretische Arbeiten zu liefern, die im Anschluss an diese Untersuchungen im Zusammenhang mit der Entwicklung von Modellen zur Korrelation bzw. Vorhersage solcher Phasengleichgewichte vorgesehen sind. Die Grenze zwischen einem einphasigen, flüssigen Bereich und Zwei- bzw. Drei-Phasen-Gebieten wurde durch visuelle Bestimmung der Trübung bei der Titration einer wässrigen Lösung (entweder des Polymeren oder des Salzes) bestimmt. Die Zusammensetzung der koexistierenden Phasen wurde in Phasengleichgewichtsexperimenten bestimmt, bei denen Proben der koexistierenden Phasen analysiert wurden. Dazu wurden mehrere Analysenmethoden entwickelt/erprobt (z. B. die Gefriertrocknung, die thermische (gravimetrische) Analyse, die Gaschromatographie und die Ionenchromatographie). Insgesamt wurden für 42 Systeme der Verlauf der Trübungskurve und für 34 Systeme das Phasengleichgewicht bestimmt. Dabei handelte es sich überwiegend um ternäre Systeme aus einem Polymeren (auf Basis von VP und/bzw. QVI), Natriumsulfat und Wasser, teilweise auch um quaternäre Systeme aus den zuvor erwähnten Komponenten und einem der Monomeren (VP bzw. QVI). Dabei zeigte die Mehrzahl der untersuchten Systeme eine flüssig-flüssig Entmischung, teilweise jedoch auch nur die häufiger anzutreffenden Fest-Flüssig-Phasengleichgewichte (z.B. Ausfall eines Salzes als Feststoff). Die experimentellen Untersuchungen wurden insbesondere bei hohen Polymerkonzentrationen durch die Zähigkeit der wässrigen Lösungen erschwert. Neben den Untersuchungen zum Phasengleichgewicht in ternären und quaternären Systemen wurden im Hinblick auf die in weiterführenden Arbeiten geplanten Modellierungsarbeiten auch experimentelle Untersuchungen an binären Subsystemen durchgeführt. Dabei handelte es sich ausschließlich um sogenannte isopiestische Messungen an wässrigen Lösungen der Polymere bzw. der Monomere. In solchen Untersuchungen wird der Einfluss der Wechselwirkungen zwischen den Molekülen eines in Wasser gelösten Stoffes auf den Dampfdruck der Lösung bestimmt. Der dabei quantitativ bestimmte Einfluss von Art und Menge des Polymeren auf den Dampfdrucks des Lösungsmittels soll in weiterführenden Arbeiten zur Bestimmung von Parametern thermodynamischer Modelle zur Beschreibung der Gibbsschen Exzessenergie wässriger Polymerlösungen verwendet werden. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zum Flüssig-Flüssig bzw. Fest-Flüssig-Phasengleichgewicht lassen sich folgendermaßen charakterisieren: In fast allen Systemen mit Polymeren auf Basis von Vinylpyrrolidon wurden Flüssig-Flüssig-Gleichgewichte mit einer salzreichen, nahezu polymerfreien wässrigen Phase und einer polymerreichen wässrigen auch salzhaltigen flüssigen Phase gefunden. D. h. in einem Gibbsschen Dreiecksdiagramm, in dem die Zusammensetzung einer ternären Mischung (mit Hilfe des Konzentrationsmaßes „Massenanteil“ ausgedrückt) durch einen Punkt dargestellt wird zeigt die Phasengrenze zwischen dem einphasigen und dem mehrphasigen Gebiet eine starke Asymmetrie. Der Wassergehalt der polymerreichen Phase ist dabei häufig deutlich geringer als der Wassergehalt der salzreichen Phase. In Systemen mit (Natriumsulfat und) Polymeren auf Basis des Imidazoliumsalzes QVI wurden dagegen überwiegend Fest-Flüssig-Gleichgewichte beobachtet. Es zeigte sich, dass die Molmasse der verwendeten Polymere nur einen vergleichsweise geringen Einfluss auf die Ausdehnung des einphasigen flüssigen Gebietes hat. I. d. R. nimmt mit steigender Molmasse die Ausdehnung der Mischungslücke zu. Auch der Temperatureinfluss auf die beobachteten Phasengleichgewichte ist relativ gering. Dies war im Fall der Polymere auf Basis von Vinylpyrrolidon aus früheren Untersuchungen an wässrigen, salzfreien Lösungen dieser Polymere zu erwarten. Wie schon erwähnt, sind die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit im Zusammenhang mit dem Einsatz solcher polymer- und salzhaltigen Systeme in verschiedenen Bereichen von Interesse. Sie bilden aber auch die Datenbasis für anstehende theoretische Arbeiten, die sich mit der Entwicklung thermodynamischer Modelle zur Beschreibung von Phasengleich- gewichten salz- und polymerhaltiger, wässriger Systeme beschäftigen werden.
This paper deals with the problem of determining the sea surface topography from geostrophic flow of ocean currents on local domains of the spherical Earth. In mathematical context the problem amounts to the solution of a spherical differential equation relating the surface curl gradient of a scalar field (sea surface topography) to a surface divergence-free vector field(geostrophic ocean flow). At first, a continuous solution theory is presented in the framework of an integral formula involving Green’s function of the spherical Beltrami operator. Different criteria derived from spherical vector analysis are given to investigate uniqueness. Second, for practical applications Green’s function is replaced by a regularized counterpart. The solution is obtained by a convolution of the flow field with a scaled version of the regularized Green function. Calculating locally without boundary correction would lead to errors near the boundary. To avoid these Gibbs phenomenona we additionally consider the boundary integral of the corresponding region on the sphere which occurs in the integral formula of the solution. For reasons of simplicity we discuss a spherical cap first, that means we consider a continuously differentiable (regular) boundary curve. In a second step we concentrate on a more complicated domain with a non continuously differentiable boundary curve, namely a rectangular region. It will turn out that the boundary integral provides a major part for stabilizing and reconstructing the approximation of the solution in our multiscale procedure.
Von sicherheitsrelevanten Bauteilen im Automobilbau verlangt man, dass beim Kunden bis zur Zeit/Strecke q0 höchstens ein Anteil p0 ausgefallen ist. Die Verifikation dieses Quantils geschieht in einer Reihe von Versuchen, bei denen die Bauteile mit einer typischen Kraft zyklisch belastet werden, bis ein gewisses, im Vorfeld festgelegtes, Schadensbild auftritt und die Anzahl Ti der Zyklen („Schwingspiele“) als Lebensdauer notiert wird. Typischerweise ist der Stichprobenumfang N dabei sehr gering (N < 10), während gleichzeitig ein extremes Quantil 0 p0 0, 1 verifiziert werden soll. Verwendet man als Lebensdauerverteilung eine Weibulloder Lognormalverteilung, so tritt in den Quantilschätzern ein deutlicher Bias auf, der beseitigt werden soll. Da es sich hierbei in der Regel um einen positiven Bias handelt, würde man Bauteile als serientauglich einstufen, obwohl sie möglicherweise deutlich unter den Vorgaben liegen. Die Berechnung von Konfidenzintervallen für Quantile geschieht über Delta-Methoden, die ebenfalls schlechte Resultate liefern (in Form einer zu geringen empirischen Signifikanz linksseiter Intervalle). Im Folgenden werden Verallgemeinerungen der Bootstrap- und Jackknife- Biaskorrektur vorgestellt, welche nicht nur versuchen den Bias zu beseitigen, sondern direkt den mittleren quadratischen Fehler des Schätzers weitestgehend zu reduzieren. Simulationsstudien zeigen, dass dies für geringe Stichprobenumfänge gelingt. Außerdem wird untersucht, inwiefern die Methode in Kombination mit der Bootstrap-Quantil-Methode einen verbesserten Intervallschätzer für Quantile liefert. Dabei werden simulierte Daten betrachtet, deren Parameter repräsentativ für Lebensdauerverteilungen von sicherheitsrelevanten Bauteilen sind.
In this expository article, we give an introduction into the basics of bootstrap tests in general. We discuss the residual-based and the wild bootstrap for regression models suitable for applications in signal and image analysis. As an illustration of the general idea, we consider a particular test for detecting differences between two noisy signals or images which also works for noise with variable variance. The test statistic is essentially the integrated squared difference between the signals after denoising them by local smoothing. Determining its quantile, which marks the boundary between accepting and rejecting the hypothesis of equal signals, is hardly possible by standard asymptotic methods whereas the bootstrap works well. Applied to the rows and columns of images, the resulting algorithm not only allows for the detection of defects but also for the characterization of their location and shape in surface inspection problems.
We consider the problem of estimating the conditional quantile of a time series at time \(t\) given observations of the same and perhaps other time series available at time \(t-1\). We discuss sieve estimates which are a nonparametric versions of the Koenker-Bassett regression quantiles and do not require the specification of the innovation law. We prove consistency of those estimates and illustrate their good performance for light- and heavy-tailed distributions of the innovations with a small simulation study. As an economic application, we use the estimates for calculating the value at risk of some stock price series.
In this paper we consider a CHARME Model, a class of generalized mixture of nonlinear nonparametric AR-ARCH time series. We apply the theory of Markov models to derive asymptotic stability of this model. Indeed, the goal is to provide some sets of conditions under which our model is geometric ergodic and therefore satisfies some mixing conditions. This result can be considered as the basis toward an asymptotic theory for our model.
We derive some asymptotics for a new approach to curve estimation proposed by Mr'{a}zek et al. cite{MWB06} which combines localization and regularization. This methodology has been considered as the basis of a unified framework covering various different smoothing methods in the analogous two-dimensional problem of image denoising. As a first step for understanding this approach theoretically, we restrict our discussion here to the least-squares distance where we have explicit formulas for the function estimates and where we can derive a rather complete asymptotic theory from known results for the Priestley-Chao curve estimate. In this paper, we consider only the case where the bias dominates the mean-square error. Other situations are dealt with in subsequent papers.
As a first approximation the Earth is a sphere; as a second approximation it may be considered an ellipsoid of revolution. The deviations of the actual Earth's gravity field from the ellipsoidal 'normal' field are so small that they can be understood to be linear. The splitting of the Earth's gravity field into a 'normal' and a remaining small 'disturbing' field considerably simplifies the problem of its determination. Under the assumption of an ellipsoidal Earth model high observational accuracy is achievable only if the deviation (deflection of the vertical) of the physical plumb line, to which measurements refer, from the ellipsoidal normal is not ignored. Hence, the determination of the disturbing potential from known deflections of the vertical is a central problem of physical geodesy. In this paper we propose a new, well-promising method for modelling the disturbing potential locally from the deflections of the vertical. Essential tools are integral formulae on the sphere based on Green's function of the Beltrami operator. The determination of the disturbing potential from deflections of the vertical is formulated as a multiscale procedure involving scale-dependent regularized versions of the surface gradient of the Green function. The modelling process is based on a multiscale framework by use of locally supported surface curl-free vector wavelets.
In der vorliegenden Arbeit werden Sekundärstrukturmotive von isolierten Peptiden und Peptid-Aggregaten in der Gasphase analysiert. Zur Untersuchung ihrer intrinsischen Eigenschaften werden die isolierten Peptide durch adiabatische Abkühlung in Molekularstrahlen erzeugt. Durch die Anwendung hochsensitiver Techniken der Doppelresonanzspektroskopie, Resonante zwei Photonen Ionisation (R2PI) und Infrarot/Resonante zwei Photonen Ionisation (IR/R2PI), werden die Peptide und Peptid-Aggregate hinsichtlich ihrer Elektronen – und Schwingungsübergängen analysiert. Die Schwingungsfrequenzen im Bereich der Amid A, I, II Moden und im oberen „Fingerprintbereich“ von Peptiden sind sehr signifikant für die Geometrie des Rückgrates und der Seitenketten, z.B. unterscheiden sich Schwingungen von Gruppen, die an Wasserstoffbrückenbindungen beteiligt sind, sehr stark durch ihre Lage und Intensität gegenüber Schwingungen von frei vorliegenden Gruppen. Ein Vergleich mit berechneten Schwingungsfrequenzen aus ab initio und Dichtefunktionaltheorie Rechnungen ermöglicht eine Zuordnung zu einer bestimmten Struktur. Es werden in dieser Arbeit verschiedene Sekundärstrukturen über die Analyse von geschützten Aminosäuren, Di- und Tripeptiden untersucht. Insbesondere gelang es erstmals, ein ß-Faltblattmodellsystem für ein isoliertes Dimer eines Peptids nachzuweisen. Weiterhin werden zum molekularen Verständnis der Mikrosolvatation Aggregate mit Wassermolekülen betrachtet und somit der Einfluss auf die Sekundärstruktur durch sukzessive Aggregation von Wassermolekülen analysiert. In Kooperation mit Prof. Schrader (Universität Duisburg-Essen) werden Templatmoleküle charakterisiert, um ihre Fähigkeiten zur Anlagerung an schädliche ß-Faltblattstrukturen zu untersuchen, die in sogenannten neurodegenerativen Krankheiten häufig auftreten. Die Effizienz ist sowohl über die Analyse der Zahl und Stärke der inter- und intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen als auch über die gebildete Clusterstruktur untersucht worden.
In this article a new data-adaptive method for smoothing of bivariate functions is developed. The smoothing is done by kernel regression with rotational invariant bivariate kernels. Two or three local bandwidth parameters are chosen automatically by a two-step plug-in approach. The algorithm starts with small global bandwidth parameters, which adapt during a few iterations to the noisy image. In the next step local bandwidths are estimated. Some general asymptotic results about Gasser-Müller-estimators and optimal bandwidth selection are given. The derived local bandwidth estimators converge and are asymptotically normal.
The visualization of numerical fluid flow datasets is essential to the engineering processes that motivate their computational simulation. To address the need for visual representations that convey meaningful relations and enable a deep understanding of flow structures, the discipline of Flow Visualization has produced many methods and schemes that are tailored to a variety of visualization tasks. The ever increasing complexity of modern flow simulations, however, puts an enormous demand on these methods. The study of vortex breakdown, for example, which is a highly transient and inherently three-dimensional flow pattern with substantial impact wherever it appears, has driven current techniques to their limits. In this thesis, we propose several novel visualization methods that significantly advance the state of the art in the visualization of complex flow structures. First, we propose a novel scheme for the construction of stream surfaces from the trajectories of particles embedded in a flow. These surfaces are extremely useful since they naturally exploit coherence between neighboring trajectories and are highly illustrative in nature. We overcome the limitations of existing stream surface algorithms that yield poor results in complex flows, and show how the resulting surfaces can be used a building blocks for advanced flow visualization techniques. Moreover, we present a visualization method that is based on moving section planes that travel through a dataset and sample the flow. By considering the changes to the flow topology on the plane as it moves, we obtain a method of visualizing topological structures in three-dimensional flows that are not accessible by conventional topological methods. On the same algorithmic basis, we construct an algorithm for the tracking of critical points in such flows, thereby enabling the treatment of time-dependent datasets. Last, we address some problems with the recently introduced Lagrangian techniques. While conceptually elegant and generally applicable, they suffer from an enormous computational cost that we significantly use by developing an adaptive approximation algorithm. This allows the application of such methods on very large and complex numerical simulations. Throughout this thesis, we will be concerned with flow visualization aspect of general practical significance but we will particularly emphasize the remarkably challenging visualization of the vortex breakdown phenomenon.
In this paper, a new mixed integer mathematical programme is proposed for the application of Hub Location Problems (HLP) in public transport planning. This model is among the few existing ones for this application. Some classes of valid inequalities are proposed yielding a very tight model. To solve instances of this problem where existing standard solvers fail, two approaches are proposed. The first one is an exact accelerated Benders decomposition algorithm and the latter a greedy neighborhood search. The computational results substantiate the superiority of our solution approaches to existing standard MIP solvers like CPLEX, both in terms of computational time and problem instance size that can be solved. The greedy neighborhood search heuristic is shown to be extremely efficient.
Modelling languages are important in the process of software development. The suitability of a modelling language for a project depends on its applicability to the target domain. Here, domain-specific languages have an advantage over more general modelling languages. On the other hand, modelling languages like the Unified Modeling Language can be used in a wide range of domains, which supports the reuse of development knowledge between projects. This thesis treats the syntactical and semantical harmonisation of modelling languages and their combined use, and the handling of complexity of modelling languages by providing language subsets - called language profiles - with tailor-made formal semantics definitions, generated by a profile tool. We focus on the widely-used modelling languages SDL and UML, and formal semantics definitions specified using Abstract State Machines.
Die Architekturen vieler technischer Systeme sind derzeit im Umbruch. Der fortschreitende Einsatz von Netzwerken aus intelligenten rechnenden Knoten führt zu neuen Anforderungen an den Entwurf und die Analyse der resultierenden Systeme. Dabei spielt die Analyse des Zeitverhaltens mit seinen Bezügen zu Sicherheit und Performanz eine zentrale Rolle. Netzbasierte Automatisierungssysteme (NAS) unterscheiden sich hierbei von anderen verteilten Echtzeitsystemen durch ihr zyklisches Komponentenverhalten. Das aus der asynchronen Verknüpfung entstehende Gesamtverhalten ist mit klassischen Methoden kaum analysierbar. Zur Analyse von NAS wird deshalb der Einsatz der wahrscheinlichkeitsbasierten Modellverifikation (PMC) vorgeschlagen. PMC erlaubt detaillierte, quantitative Aussagen über das Systemverhalten. Für die dazu notwendige Modellierung des Systems auf Basis wahrscheinlichkeitsbasierter, zeitbewerteter Automaten wird die Beschreibungssprache DesLaNAS eingeführt. Exemplarisch werden der Einfluss verschiedener Komponenten und Verhaltensmodi auf die Antwortzeit eines NAS untersucht und die Ergebnisse mittels Labormessungen validiert.
Die fortschreitende Verbreitung von Ethernet-basierten Strukturen mit dezentralen und verteilten Anwendungen in der Automatisierung führt zu den so genannten netzbasier-ten Automatisierungssystemen (NAS). Diese sind zwar in Anschaffung und Betrieb kostengünstiger, moderner und flexibler als herkömmliche Strukturen, weisen jedoch nicht-deterministische Verzögerungen auf. Die genaue Analyse der resultierenden Antwortzeiten ist somit nicht nur Voraussetzung für den verantwortungsbewussten Einsatz dieser Technologie sondern ermöglicht es auch, bereits im Vorfeld von Umstrukturierungen oder Erweiterungen, Fragen der Verlässlichkeit zu klären. In diesem ersten von zwei Beiträgen wird hierfür zunächst die für die speziellen Bedürfnisse der Strukturbeschreibung von netzbasierten Automatisierungssystemen entwickelte Modellierungssprache DesLaNAS vorgestellt und auf ein einführendes Beispiel angewendet. Im zweiten Beitrag wird darauf aufbauend gezeigt, welchen Einfluss die einzelnen System-komponenten (SPS, Netzwerk, I/O-Karten) sowie netzbedingte Verhaltensmodi wie Synchronisation und die gemeinsame Nutzung von Ressourcen auf die Antwortzeiten des Gesamtsystems haben. Zur Analyse selbst wird die wahrscheinlichkeitsbasierte Modellverifikation (PMC) angewendet.
Netzbasierte Automatisierungssysteme (NAS) sind das Ergebnis der zunehmenden Dezentralisierung von Automatisierungssystemen mittels neuerer Netzwerkstrukturen. Eine ganze Fülle von Einflussfaktoren führt jedoch zu einem Spektrum von nicht-deterministischen Verzögerungen, die direkten Einfluss auf Qualität, Sicherheit und Zuverlässigkeit der Automatisierungsanlagen haben. Eine genaue Analyse dieser Einflussfaktoren ist somit nicht nur Voraussetzung für den verantwortungsbewussten Einsatz dieser Technologie sondern ermöglicht es auch, bereits im Vorfeld von Umstrukturierungen oder Erweiterungen Fragen der Verlässlichkeit zu klären. In diesem Beitrag wird gezeigt, welchen Einfluss einzelne Komponenten sowie netzbedingte Verhaltensmodi wie Synchronisation und die gemeinsame Nutzung von Ressourcen auf die Antwortzeiten des Gesamtsystems haben. Zur Analyse wird die wahrscheinlichkeitsbasierte Modellverifikation (PMC) verwendet. Umfangreiche Messungen wurden zur Validierung der Ergebnisse durchgeführt.
In this dissertation we present analysis of macroscopic models for slow dense granular flow. Models are derived from plasticity theory with yield condition and flow rule. Corner stone equations are conservation of mass and conservation of momentum with special constitutive law. Such models are considered in the class of generalised Newtonian fluids, where viscosity depends on the pressure and modulo of the strain-rate tensor. We showed the hyperbolic nature for the evolutionary model in 1D and ill-posed behaviour for 2D and 3D. The steady state equations are always hyperbolic. In the 2D problem we derived a prototype nonlinear backward parabolic equation for the velocity and the similar equation for the shear-rate. Analysis of derived PDE showed the finite blow up time. Blow up time depends on the initial condition. Full 2D and antiplane 3D model were investigated numerically with finite element method. For 2D model we showed the presence of boundary layers. Antiplane 3D model was investigated with the Runge Kutta Discontinuous Galerkin method with mesh addoption. Numerical results confirmed that such a numerical method can be a good choice for the simulations of the slow dense granular flow.
Abstract. The stationary, isothermal rotational spinning process of fibers is considered. The investigations are concerned with the case of large Reynolds (± = 3/Re ¿ 1) and small Rossby numbers (\\\" ¿ 1). Modelling the fibers as a Newtonian fluid and applying slender body approximations, the process is described by a two–point boundary value problem of ODEs. The involved quantities are the coordinates of the fiber’s centerline, the fluid velocity and viscous stress. The inviscid case ± = 0 is discussed as a reference case. For the viscous case ± > 0 numerical simulations are carried out. Transfering some properties of the inviscid limit to the viscous case, analytical bounds for the initial viscous stress of the fiber are obtained. A good agreement with the numerical results is found. These bounds give strong evidence, that for ± > 3\\\"2 no physical relevant solution can exist. A possible interpretation of the above coupling of ± and \\\" related to the die–swell phenomenon is given.
Given a directed graph G = (N,A) with arc capacities u and a minimum cost flow problem defined on G, the capacity inverse minimum cost flow problem is to find a new capacity vector u' for the arc set A such that a given feasible flow x' is optimal with respect to the modified capacities. Among all capacity vectors u' satisfying this condition, we would like to find one with minimum ||u' - u|| value. We consider two distance measures for ||u' - u||, rectilinear and Chebyshev distances. By reduction from the feedback arc set problem we show that the capacity inverse minimum cost flow problem is NP-hard in the rectilinear case. On the other hand, it is polynomially solvable by a greedy algorithm for the Chebyshev norm. In the latter case we propose a heuristic for the bicriteria problem, where we minimize among all optimal solutions the number of affected arcs. We also present computational results for this heuristic.
Bringing robustness to patient flow management through optimized patient transports in hospitals
(2007)
Intra-hospital transports are often required for diagnostic or therapeutic reasons. Depending on the hospital layout, transportation between nursing wards and service units is either provided by ambulances or by trained personnel who accompany patients on foot. In many large German hospitals, the patient transport service is poorly managed and lacks workflow coordination. This contributes to higher hospital costs (e.g. when a patient is not delivered to the operating room on time) and to patient inconvenience due to longer waiting times. We have designed a computer-based planning system - Opti-TRANS c - that supports all phases of the transportation flow, ranging from travel booking, dispatching transport requests to monitoring and reporting trips in real-time. The methodology developed to solve the underlying optimization problem - a dynamic dial-a-ride problem with hospital-specific constraints - draws on fast heuristic methods to ensure the efficient and timely provision of transports. We illustrate the strong impact of Opti-TRANS c on the daily performance of the patient transportation service of a large German hospital. The major benefits obtained with the new tool include streamlined transportation processes and workflow, significant savings and improved patient satisfaction. Moreover, the new planning system has contributed to increase awareness among hospital staff about the importance of implementing efficient logistics practices.
With the ever-increasing significance of software in our everyday lives, it is vital to afford reliable software quality estimates. Typically, quantitative software quality analyses rely on either statistical fault prediction methods (FPMs) or stochastic software reliability growth models (SRGMs). Adopting solely FPMs or SRGMs, though, may result in biased predictions that do not account for uncertainty in the distinct prediction methods; thus rendering the prediction less reliable. This paper identifies flaws of the individual prediction methods and suggests a hybrid prediction approach that combines FPMs and SRGMs. We adopt FPMs for initially estimating the expected number of failures for fi- nite failure SRGMs. Initial parameter estimates yield more accurate reliability predictions until sufficient failures are observed that enable stable parameter estimates in SRGMs. Being at the equilibrium level of FPM and SRGM pre- dictions we suggest combining the competing prediction methods with respect to the principle of heterogeneous redundancy. That is, we propose using the in- dividual methods separately and combining their predictions. In this paper we suggest Bayesian model averaging (BMA) for combining the different methods. The hybrid approach allows early reliability estimates and encourages higher confidence in software quality predictions.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Synthese und Charakterisierung fluoreszenzmarkierter Pyrrolin-N-oxide sowie von Stilbennitronen. Diese Verbindungen sind aufgrund ihrer chemischen Struktur zum Abfangen kurzlebiger Radikale befähigt, wobei sie selbst zu einem langlebigen Radikal-Addukt reagieren. Diese Methode ist unter dem Namen „Spin-Trapping“ bekannt und wird bevorzugt zum Nachweis reaktiver Sauerstoffspezies in biologischen Systemen eingesetzt. Zu diesem Zweck wurde zunächst die Synthese der Spin-Trap EMPO etabliert und versucht, diese durch Umesterung mit einem Fluoreszenzfarbstoff zu markieren. Da dieser Syntheseweg erfolglos blieb, wurden die neuen Spin-Trap-Verbindungen BocAEMPO, AEMPO, BocEAEMPO und EAEMPO synthetisiert. Versuche zur Umsetzung dieser Verbindungen mit einer Reihe von Fluoreszenzfarbstoffen verliefen jedoch ebenfalls ohne Erfolg. Ursache hierfür ist die ausgeprägte Reaktivität der zum Spin-Trapping benötigten Nitron-Gruppe. Die hierzu benötigten NBD- und BODIPY-Farbstoffderivate wurden ebenfalls selbst synthetisiert. Weiterhin wurden Versuche zur Direktsynthese einer fluoreszenzmarkierten Spin-Trap unternommen. Ziel war hierbei, vor dem Erzeugen der Nitron-Gruppe bereits ein Fluorophor im Molekül einzubauen. Diese Versuche scheiterten jedoch an der Empfindlichkeit der verwendeten Farbstoffe. In einem Fall konnte zwar ein BODIPY-System erfolgreich unter den Bedingungen der Nitronsynthese erhalten werden, jedoch war das erhaltene Produkt nicht eindeutig charakterisierbar. Weiterhin wurde die Synthese von DEPMPO etabliert und erste Versuche zur Modifikation dieser Spin-Trap unternommen. Die neu synthetisierten Spin-Traps wurden mit sechs verschiedenen Radikalen zu ihren Addukten umgesetzt und durch ESR-Spektroskopie charakterisiert. Aus den durchgeführten Kinetikmessungen wurden die Zerfallskonstanten und die Halbwertszeiten der Spin-Addukte bestimmt. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wurden Stilbennitrone hergestellt. Hierbei wurde die Synthese von Stilbenaldehyd-Derivaten mittels Heck-Reaktionen etabliert und im Anschluss drei verschiedenen Stilbennitrone synthetisiert. Diese wurden sowohl ESR- als auch UV- und Fluoreszenz-spektroskopisch charakterisiert. Mit der Verbindung Nitrostilbennitron wurden erste Versuche zum Fluoreszenzquenching und zur Inkubation von COS7-Zellen unternommen. Bei den Quenchingversuchen konnten die erwarteten Effekte bei der Reaktion mit OH-Radikalen gemessen werden. Die Inkubation der COS7-Zellen verlief ebenfalls erfolgreich, wobei hier jedoch aufgrund technischer Limitierungen auf Seiten der verfügbaren Mikroskope keine Aussagen zur Spezifität der erreichten Färbung getroffen werden können.