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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.
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.
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.
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.
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.
Carotenoids are organic lipophilic tetraterpenes ubiquitously present in Nature and found across the three domains of life (Archaea, Bacteria and Eukaryotes). Their structure is characterized by an extensive conjugated double-bond system, which serves as a light-absorbing chromophore, hence determining its colour, and enables carotenoids to absorb energy from other molecules and to act as antioxidant agents. Humans obtain carotenoids mainly via the consumption of fruits and vegetables, and to a smaller extent from other food sources such as fish and eggs. The concentration of carotenoids in the human plasma and tissues has been positively associated with a lower incidence of several chronic diseases including, cancer, diabetes, macular degeneration and cardiovascular conditions, likely due to their antioxidant properties. However, an important aspect of carotenoids, namely β- and α-carotene and β-cryptoxanthin, in human health and development, is their potential to be converted by the body into Vitamin A.
Yet, bioavailability of carotenoids is relatively low (< 30%) and dependent, among others, on dietary factors, such as amount and type of dietary lipids and the presence of dietary fibres. One dietary factor that has been found to negatively impact carotenoid bioaccessibility and cellular uptake in vitro is high concentrations of divalent cations during simulated gastro-intestinal digestion. Nevertheless, the mechanism of action of divalent cations remains unclear. The goal of this thesis was to better understand how divalent cations act during digestion and modulate carotenoid bioavailability. In vitro trials of simulated gastro-intestinal digestion and cellular uptake were run to investigate how varying concentrations of calcium, magnesium and zinc affected the bioaccessibility of both pure carotenoids and carotenoids from food matrices. In order to validate or refute results obtained in vitro, a randomized and double blinded placebo controlled cross-over postprandial trial (24 male participants) was carried out, testing the effect of 3 supplementary calcium doses (0 mg, 500 mg and 1000 mg) on the bioavailability of carotenoids from a spinach based meal. In vitro trials showed that addition of the divalent cations significantly decreased the bioaccessibility of both pure carotenoids (P < 0.001) and those from food matrices (P < 0.01). This effect was dependent on the type of mineral and its concentration. Strongest effects were seen for increasing concentrations of calcium followed by magnesium and zinc. The addition of divalent cations also altered the physico-chemical properties, i.e. viscosity and surface tension, of the digestas. However, the extent of this effect varied according to the type of matrix. The effects on bioaccessibility and physico-chemical properties were accompanied by variations of the zeta-potential of the particles in solution. Taken together, results from the in vitro trials strongly suggested that divalent cations were able to bind bile salts and other surfactant agents, affecting their solubility. The observed i) decrease in macroviscosity, ii) increase in surface tension, and the iii) reduction of the zeta-potential of the digesta, confirmed the removal of surfactant agents from the system, most likely due to precipitation as a result of the lower solubility of the mineral-surfactant complexes. As such, micellarization of carotenoids was hindered, explaining their reduced bioaccessibility. As for the human trial, results showed that there was no significant influence of supplementation with either 500 or 1000 mg of supplemental calcium (in form of carbonate) on the bioavailability of a spinach based meal, as measured by the area-under curve of carotenoid concentrations in the plasma-triacylglycerol rich fraction, suggesting that the in vitro results are not supported in such an in vivo scenario, which may be explained by the initial low bioaccessibility of spinach carotenoids and the dissolution kinetics of the calcium pills. Further investigations are necessary to understand how divalent cations act during in vivo digestion and potentially interact with lipophilic nutrients and food constituents.
In jüngerer Vergangenheit wurden Konzepte zur Bestimmung der erforderlichen
Bewehrung zur Begrenzung der Rissbreite in dicken Bauteilen erarbeitet und in den
aktuellen Bemessungsnormen des Stahlbeton- und Spannbetonbaus verankert. Mit
Hilfe dieser Konzepte ist es möglich, dicke Bauteile gegenüber den bislang
angewendeten Bemessungsverfahren sinnvoll zu bewehren.
Stahlbetonhochbaudecken zählen jedoch in der Regel zu den schlanken Bauteilen und
somit nicht zu der Kategorie von Bauteilen, für die die neuen Bemessungsansätze
entwickelt wurden. Dennoch sind sie es, die den Massenverbrauch in den Tragwerken
von Hochbauten dominieren. Die Auslegung von Stahlbetondecken spielt somit eine
entscheidende Rolle im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit und die Umweltfreundlichkeit
von Hochbauten.
Stahlbetonhochbaudecken sind im Regelfall einer kombinierten Beanspruchung aus
Last und Zwang unterworfen. Die hierbei für die Bemessung erforderliche Größe der
Zwangkraft kann angesichts ihrer direkten Verknüpfung mit der Steifigkeit nur mit Hilfe
von physikalisch nichtlinearen Finite-Elemente-Berechnungen mit ausreichender
Genauigkeit abgeschätzt werden. Für Tragwerksplaner wäre ein solches Vorgehen im
Rahmen von realen Bauprojekten jedoch mit einem unverhältnismäßig hohen Aufwand
verbunden. In der Praxis ist es daher derzeit üblich, an jeder Stelle eines Bauteils den
größeren Wert derjenigen Bewehrungsquerschnitte einzulegen, die sich aus Last oder
aus Zwang ergeben. Die zur Aufnahme der Zwangbeanspruchungen erforderliche
Bewehrung wird hierbei basierend auf der Risskraft des jeweiligen Bauteils gewählt.
Dieses Vorgehen ist aber in vielen Fällen unwirtschaftlich und kann auch auf der
unsicheren Seite liegen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird daher die Frage nach einer geeigneten
Bewehrung für Hochbaudecken unter einer kombinierten Beanspruchung aus Last und
zentrischem Zwang experimentell und numerisch untersucht. Auf Basis der
gewonnenen Erkenntnisse aus den experimentellen und numerischen
Untersuchungen wird ein Näherungsverfahren ausgearbeitet, welches eine
wirklichkeitsnahe Abschätzung der Zwanglängskraft und somit eine wirtschaftliche und
sichere Wahl der Bewehrung zur Begrenzung der Rissbreite bei einachsig gespannten
Stahlbetonhochbaudecken erlaubt.
The systems in industrial automation management (IAM) are information systems. The management parts of such systems are software components that support the manufacturing processes. The operational parts control highly plug-compatible devices, such as controllers, sensors and motors. Process variability and topology variability are the two main characteristics of software families in this domain. Furthermore, three roles of stakeholders -- requirement engineers, hardware-oriented engineers, and software developers -- participate in different derivation stages and have different variability concerns. In current practice, the development and reuse of such systems is costly and time-consuming, due to the complexity of topology and process variability. To overcome these challenges, the goal of this thesis is to develop an approach to improve the software product derivation process for systems in industrial automation management, where different variability types are concerned in different derivation stages. Current state-of-the-art approaches commonly use general-purpose variability modeling languages to represent variability, which is not sufficient for IAM systems. The process and topology variability requires more user-centered modeling and representation. The insufficiency of variability modeling leads to low efficiency during the staged derivation process involving different stakeholders. Up to now, product line approaches for systematic variability modeling and realization have not been well established for such complex domains. The model-based derivation approach presented in this thesis integrates feature modeling with domain-specific models for expressing processes and topology. The multi-variability modeling framework includes the meta-models of the three variability types and their associations. The realization and implementation of the multi-variability involves the mapping and the tracing of variants to their corresponding software product line assets. Based on the foundation of multi-variability modeling and realization, a derivation infrastructure is developed, which enables a semi-automated software derivation approach. It supports the configuration of different variability types to be integrated into the staged derivation process of the involved stakeholders. The derivation approach is evaluated in an industry-grade case study of a complex software system. The feasibility is demonstrated by applying the approach in the case study. By using the approach, both the size of the reusable core assets and the automation level of derivation are significantly improved. Furthermore, semi-structured interviews with engineers in practice have evaluated the usefulness and ease-of-use of the proposed approach. The results show a positive attitude towards applying the approach in practice, and high potential to generalize it to other related domains.
Function of two redox sensing kinases from the methanogenic archaeon Methanosarcina acetivorans
(2019)
MsmS is a heme-based redox sensor kinase in Methanosarcina acetivorans consisting of alternating PAS and GAF domains connected to a C-terminal kinase domain. In addition to MsmS, M. acetivorans possesses a second kinase, MA0863 with high sequence similarity. Interestingly, MA0863 possesses an amber codon in its second GAF domain, encoding for the amino acid pyrrolysine. Thus far, no function of this residue has been resolved. In order to examine the heme iron coordination in both proteins, an improved method for the production of heme proteins was established using the Escherichia coli strain Nissle 1917. This method enables the complete reconstitution of a recombinant hemoprotein during protein production, thereby resulting in a native heme coordination. Analysis of the full-length MsmS and MA0863 confirmed a covalently bound heme cofactor, which is connected to one conserved cysteine residue in each protein. In order to identify the coordinating amino acid residues of the heme iron, UV/vis spectra of different variants were measured. These studies revealed His702 in MsmS and the corresponding His666 in MA0863 as the proximal heme ligands. MsmS has previously been described as a heme-based redox sensor. In order to examine whether the same is true for MA0863, redox dependent kinase assays were performed. MA0863 indeed displays redox dependent autophosphorylation activity, which is independent of heme ligands and only observed under oxidizing conditions. Interestingly, autophosphorylation was shown to be independent of the heme cofactor but rather relies on thiol oxidation. Therefore, MA0863 was renamed in RdmS (redox dependent methyltransferase-associated sensor). In order to identify the phosphorylation site of RdmS, thin layer chromatography was performed identifying a tyrosine as the putative phosphorylation site. This observation is in agreement with the lack of a so-called H-box in typical histidine kinases. Due to their genomic localization, MsmS and RdmS were postulated to form two-component systems (TCS) with vicinal encoded regulator proteins MsrG and MsrF. Therefore, protein-protein interaction studies using the bacterial adenylate two hybrid system were performed suggesting an interaction of RdmS and MsmS with the three regulators MsrG/F/C. Due to these multiple interactions these signal transduction pathways should rather be considered multicomponent system instead of two component systems.
Destructive diseases of the lung like lung cancer or fibrosis are still often lethal. Also in case of fibrosis in the liver, the only possible cure is transplantation.
In this thesis, we investigate 3D micro computed synchrotron radiation (SR\( \mu \)CT) images of capillary blood vessels in mouse lungs and livers. The specimen show so-called compensatory lung growth as well as different states of pulmonary and hepatic fibrosis.
During compensatory lung growth, after resecting part of the lung, the remaining part compensates for this loss by extending into the empty space. This process is accompanied by an active vessel growing.
In general, the human lung can not compensate for such a loss. Thus, understanding this process in mice is important to improve treatment options in case of diseases like lung cancer.
In case of fibrosis, the formation of scars within the organ's tissue forces the capillary vessels to grow to ensure blood supply.
Thus, the process of fibrosis as well as compensatory lung growth can be accessed by considering the capillary architecture.
As preparation of 2D microscopic images is faster, easier, and cheaper compared to SR\( \mu \)CT images, they currently form the basis of medical investigation. Yet, characteristics like direction and shape of objects can only properly be analyzed using 3D imaging techniques. Hence, analyzing SR\( \mu \)CT data provides valuable additional information.
For the fibrotic specimen, we apply image analysis methods well-known from material science. We measure the vessel diameter using the granulometry distribution function and describe the inter-vessel distance by the spherical contact distribution. Moreover, we estimate the directional distribution of the capillary structure. All features turn out to be useful to characterize fibrosis based on the deformation of capillary vessels.
It is already known that the most efficient mechanism of vessel growing forms small torus-shaped holes within the capillary structure, so-called intussusceptive pillars. Analyzing their location and number strongly contributes to the characterization of vessel growing. Hence, for all three applications, this is of great interest. This thesis provides the first algorithm to detect intussusceptive pillars in SR\( \mu \)CT images. After segmentation of raw image data, our algorithm works automatically and allows for a quantitative evaluation of a large amount of data.
The analysis of SR\( \mu \)CT data using our pillar algorithm as well as the granulometry, spherical contact distribution, and directional analysis extends the current state-of-the-art in medical studies. Although it is not possible to replace certain 3D features by 2D features without losing information, our results could be used to examine 2D features approximating the 3D findings reasonably well.
In computer graphics, realistic rendering of virtual scenes is a computationally complex problem. State-of-the-art rendering technology must become more scalable to
meet the performance requirements for demanding real-time applications.
This dissertation is concerned with core algorithms for rendering, focusing on the
ray tracing method in particular, to support and saturate recent massively parallel computer systems, i.e., to distribute the complex computations very efficiently
among a large number of processing elements. More specifically, the three targeted
main contributions are:
1. Collaboration framework for large-scale distributed memory computers
The purpose of the collaboration framework is to enable scalable rendering
in real-time on a distributed memory computer. As an infrastructure layer it
manages the explicit communication within a network of distributed memory
nodes transparently for the rendering application. The research is focused on
designing a communication protocol resilient against delays and negligible in
overhead, relying exclusively on one-sided and asynchronous data transfers.
The hypothesis is that a loosely coupled system like this is able to scale linearly
with the number of nodes, which is tested by directly measuring all possible
communication-induced delays as well as the overall rendering throughput.
2. Ray tracing algorithms designed for vector processing
Vector processors are to be efficiently utilized for improved ray tracing performance. This requires the basic, scalar traversal algorithm to be reformulated
in order to expose a high degree of fine-grained data parallelism. Two approaches are investigated: traversing multiple rays simultaneously, and performing
multiple traversal steps at once. Efficiently establishing coherence in a group
of rays as well as avoiding sorting of the nodes in a multi-traversal step are the
defining research goals.
3. Multi-threaded schedule and memory management for the ray tracing acceleration structure
Construction times of high-quality acceleration structures are to be reduced by
improvements to multi-threaded scalability and utilization of vector processors. Research is directed at eliminating the following scalability bottlenecks:
dynamic memory growth caused by the primitive splits required for high-
quality structures, and top-level hierarchy construction where simple task par-
allelism is not readily available. Additional research addresses how to expose
scatter/gather-free data-parallelism for efficient vector processing.
Together, these contributions form a scalable, high-performance basis for real-time,
ray tracing-based rendering, and a prototype path tracing application implemented
on top of this basis serves as a demonstration.
The key insight driving this dissertation is that the computational power necessary
for realistic light transport for real-time rendering applications demands massively
parallel computers, which in turn require highly scalable algorithms. Therefore this
dissertation provides important research along the path towards virtual reality.
Die räumliche Planung begegnet häufig Herausforderungen, zu deren Bewältigung nicht auf existierendes Wissen zurückgegriffen werden kann. Um neuartiges Wissen zu erzielen, werden insbesondere Modellvorhaben – kleinmaßstäbliche, befristete reale Feldexperimente – als Instrument eingesetzt. Diese zielen darauf ab, wiederverwendbares Wissen reproduzierbar zu erzeugen. Im Rahmen eines Modellvorhabens werden in verschiedenen Modellräumen vielfältige innovative Projekte initiiert, über einen festen Zeitraum umgesetzt sowie bewertet. Akademische oder private Institutionen begleiten Modellvorhaben wissenschaftlich, um allgemeingültige und übertragbare Erkenntnisse zu identifizieren. Die Ergebnisse dieser umfassenden Evaluation werden in einem Abschlussbericht dokumentiert. Erfahrungen zeigen allerdings, dass dies zur Verteilung der Ergebnisse nicht ausreicht, um die Nutzung und Wiederverwendung der in Modellvorhaben generierten Erkenntnisse sicherzustellen. Dies liegt insbesondere daran, dass die Abschlussberichte zu wenig anwendungsorientiert und zu umfangreich sind. So ist der Vergleich zwischen vorhandenen Berichten und einem laufenden Modellvorhaben mit einem zu hohen Aufwand verbunden, wodurch sich ein unausgeglichenes Aufwand-Ertrag-Verhältnis ergibt. Somit wird das Lernen aus Modellvorhaben erschwert.
Um eine effektive und effiziente Dissemination und Verstetigung sowie Wiederverwendbarkeit von Wissen generiert in Modellvorhaben zu erzielen, wurde im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit ein Modell entwickelt. In einem ersten Schritt wurde für die Analyse von Modellvorhaben eine allgemeingültige Struktur geschaffen, die mit dem generellen Ablauf eines Projekts im Rahmen des Projektmanagements vergleichbar ist. Diese Struktur reduziert den Aufwand Erkenntnisse und Wissen jeweils für die folgenden hier definierten Phasen zu nutzen: Identifikation einer neuen Herausforderung; Projektaufruf; Bewerbungen der möglichen Teilnehmer; Bewertungen der Bewerbungen durch den Initiator; Durchführung; Auswertung; Dissemination, Transfer und Verstetigung.
Im nächsten Schritt wurde in die einzelnen Phasen eines Modellvorhabens ein Wissensmanagementprozess – die Bausteine Wissensziele, -identifikation, -erwerb, - entwicklung, -bewertung, -bewahrung, -(ver)teilung und -nutzung – integriert, um die gemeinsame Nutzungseinheit vom umfassenden Abschlussbericht auf kleinere, in sich abgeschlossene Informationseinheiten zu reduzieren. Auf diese Weise wird der Aufwand für die Identifikation, den Erwerb und die Nutzung von Wissen verringert. Am Ende jeder Phase wird eine Bewertung durchgeführt sowie das erzielte Wissen effizient geteilt. Dafür ist eine systematische Interaktion zwischen Akteuren von Modellvorhaben und eine zentrale Sammlung des Wissens notwendig. Ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuartigen Austauschinfrastruktur, die das generierte Wissen einerseits bewahrt und andererseits systematisch verteilt. Dadurch kann bereits im Verlauf eines Modellvorhabens gewonnenes Wissen ausgetauscht und wiederverwendet werden, sodass
die Phase der Dissemination, Transfer und Verstetigung in den Prozess verschoben wird. Die Infrastruktur soll frei zugänglich sein und nutzerfreundlich gestaltet werden.
Durch das entwickelte Modell wird eine effektive und effiziente Wiederverwendung von Wissen generiert in Modellvorhaben ermöglicht sowie eine belastbare Grundlage für neue Projekte in der räumlichen Planung geschaffen.
Novel image processing techniques have been in development for decades, but most
of these techniques are barely used in real world applications. This results in a gap
between image processing research and real-world applications; this thesis aims to
close this gap. In an initial study, the quantification, propagation, and communication
of uncertainty were determined to be key features in gaining acceptance for
new image processing techniques in applications.
This thesis presents a holistic approach based on a novel image processing pipeline,
capable of quantifying, propagating, and communicating image uncertainty. This
work provides an improved image data transformation paradigm, extending image
data using a flexible, high-dimensional uncertainty model. Based on this, a completely
redesigned image processing pipeline is presented. In this pipeline, each
step respects and preserves the underlying image uncertainty, allowing image uncertainty
quantification, image pre-processing, image segmentation, and geometry
extraction. This is communicated by utilizing meaningful visualization methodologies
throughout each computational step.
The presented methods are examined qualitatively by comparing to the Stateof-
the-Art, in addition to user evaluation in different domains. To show the applicability
of the presented approach to real world scenarios, this thesis demonstrates
domain-specific problems and the successful implementation of the presented techniques
in these domains.
Der Werkstoff Sheet Molding Compound (SMC) wurde in den 1960er Jahren entwickelt
und ermöglichte erstmals die großserientaugliche Herstellung von Faser-
Kunststoff-Verbund (FKV) Bauteilen. Heutzutage werden ca. 20 % aller in Europa
hergestellten Glasfasern in diesem Verfahren zu FKV verarbeitet. Die ökologischen
und ökonomischen Anforderungen an FKV-Bauteile steigen kontinuierlich. Es werden
immer leichtere, mechanisch höher belastbare und auch bio-basierte Pendants zu
bekannten Lösungen gefordert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einsatz von biobasierten
und nachwachsenden Rohstoffen als alternative Füllstoffe für duroplastische
SMC-Halbzeuge untersucht. Die Verarbeitung der alternativen Füllstoffe in
SMC-Halbzeugen darf keine negativen Einflüsse auf die Produktions- und Verarbeitungsabläufe
mit sich bringen. Weiterhin soll durch den Einsatz der alternativen Füllstoffe
eine Dichtereduktion um ca. 15 %, bei gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften,
erreicht werden. Die Verwendung der bio-basierten und nachwachsenden
Füllstoffe darf nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelindustrie stehen.
Zu Beginn der Arbeit wurden in Kooperation mit SMC-Experten und SMC-Herstellern
die Spezifikationen und Anforderungen an ein Standard-SMC definiert. Anschließend
wurde ein SMC-Halbzeug auf Basis eines ungesättigten Polyesterharzes, konventioneller
mineralischer Füllstoffe und Glasfasern entwickelt. Dieses Halbzeug erfüllt mit
einer Dichte von 1,95 g/cm³, einem E-Modul von 10,4 GPa und einer Zugfestigkeit
von 100 MPa die geforderten Spezifikationen und diente im weiteren Verlauf der Arbeit
als Referenz.
Im Rahmen der Arbeit wurde nachgewiesen, dass die Verarbeitung von bio-basierten
und nachwachsenden Rohstoffen eine Adaption der zuvor entwickelten Harzpaste
erfordert und Sonnenblumenkernschalenmehl als Füllstoff die konventionellen Füllstoffe
zu 100 % ersetzen kann. Die resultierende Halbzeugdichte beträgt 1,55 g/cm³
und liegt damit 20 % unter dem Referenzmaterial. Sowohl die mechanischen Kennwerte
(E-Modul 10,8 GPa und Zugfestigkeit 96 MPa) als auch die Herstellung und
Verarbeitung der Harzpaste erreichen die Referenzwerte und sind mit konventionellen
Halbzeugen vergleichbar. Im Rahmen der Arbeit konnte somit die Tauglichkeit
bio-basierter und nachwachsender Füllstoffe für einen möglichen Serieneinsatz in
SMC-Halbzeugen nachgewiesen werden.
Sheet Molding Compound (SMC) was developed in the 1960s and initially enabled
the production of glass fiber reinforced polymer composite (GFRPC) in mass scale
production. Nowadays, both material and process are well established for the production
of semi-structural components in various applications from construction industry
to automotive components. Currently, approximately 20% of all glass fibers produced
in Europe are processed to SMC. Increasing strict ecological and economical requirements
for construction materials, force further development of SMC in order to
strengthen its sales markets and open up new ones.
The objective of this work is the development of a SMC semi-finished product, using
bio-based and renewable materials as alternative filler materials. The processing of
the alternative fillers must not have any negative influence on the production and
processing procedures. Furthermore, the use of alternative fillers should achieve a
density reduction of 15% while maintaining the same mechanical properties. The use
of bio-based and renewable fillers must not compete with the food industry.
At first, specifications and requirements for a standard SMC were defined in cooperation
with SMC experts and producers. Afterwards a SMC semi-finished product
based on unsaturated polyester resin, glass fibers and conventional mineral fillers
was developed. With a density of 1.95 g/cm³, a Young’s modulus of 10.4 GPa and a
tensile strength of 100 MPa this SMC fulfills the specifications and is used as a reference
for further development.
In a second step a SMC with bio-based and renewable fillers was developed. This
work proofs the complete replacement of conventional filler materials by bio-based
and renewable filler materials. Therefore an adaption of the resin paste is necessary.
The best results were achieved with a resin paste using sunflower hulls flour as filler
material. The resulting semi-finished product shows a density of 1.55 g/cm³ and both
processability and mechanical properties are comparable to conventional SMC materials With a fiber mass content of 30% by weight, a Young’s modulus of 10.8 GPa
and a tensile strength of 96 MPa are achieved.
Im Rahmen dieser Dissertationsarbeit wurden 2,6-Bis(pyrazol-3-yl)pyridinliganden im Ligandenrückgrat und in N-Position funktionalisiert, um chirale C2-symmetrische tridentate Liganden mit Stickstoffdonoratomen bzw. bifunktionelle pentadentate Liganden mit Stickstoff- und Phosphordonoratomen zu generieren. Die C2-symmetrischen tridentaten Liganden wurden mit Eisen(II)- und Ruthenium(II)vorstufen zu monometallischen Katalysatoren umgesetzt. Diese wurden erfolgreich in der Hydrosilylierung und Transferhydrierung von Carbonylverbindungen angewendet. Ebenso wurden erste Untersuchungen der Reaktionsmechanismenverläufe durchgeführt. Mit Hilfe der gut zugänglichen bifunktionellen Bispyrazolylpyridinliganden konnten zahlreiche mono- und multimetallische Übergangsmetallkomplexverbindungen synthetisiert und teilweise auf Kooperativität in der katalytischen Reduzierung von Ketonen getestet werden. Dabei wurde bei den durchgeführten Hydrierungs- und Transferhydrierungsreaktionen eine deutliche Aktivitätssteigerung einiger multimetallischer Katalysatoren im Vergleich zu deren monometallischen Derivaten beobachtet. Durch geschickte Wahl der Übergangsmetallkombinationen konnten zusätzlich erste Erkenntnisse über die Kooperativität innerhalb der multimetallischen Katalysatoren gewonnen werden.
Die Alterungsbeständigkeit und Sicherheit von geklebten Verbindungen sind von großer
Bedeutung in industriellen Anwendungen. Die Ausfallwahrscheinlichkeit einer geklebten
Verbindung nach einer bestimmten Zeit kann hierbei durch verschiedene Alterungseffekte,
wie beispielsweise Temperatur und Luftfeuchtigkeit, beeinflusst werden. Die Korrelation der
Ergebnisse aus beschleunigten Laboralterungstests mit dem Langzeitverhalten der
Verbindungen unter Einsatzbedingungen bleibt häufig eine ungelöste Herausforderung. In der
vorliegenden Arbeit wurden computerbasierte Methoden für die nichtlineare Regressionsanalyse,
die Abschätzung der Zuverlässigkeit und die Vorhersage der Sicherheit auf
experimentelle Daten angewendet, die durch beschleunigte Alterung von Zugscherproben
sowie Substanz-Schulterproben generiert wurden. Die Modellierung des Alterungsverhaltens
wurde mit kombinierten Funktionen in Anlehnung an die Modelle nach EYRING und PECK
durchgeführt. Beide Modellierungsansätze erschienen hierbei geeignet zur Beschreibung der
experimentellen Daten. Die Sicherheitsvorhersage wurde anhand der Versagenswahrscheinlichkeit
sowie des Sicherheitsindex β allerdings auf Basis des EYRING-Modells
durchgeführt, da dieses die experimentellen Daten der Referenzbedingung konservativer
beschreibt.