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Obwohl das Zufußgehen die natürliche Fortbewegungsform des Menschen darstellt, spielte diese Mobilitätsform ab der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts eine zunehmend schwindende Rolle in der politischen Wahrnehmung und der Stadt- und Verkehrsplanung. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wird im Zuge eines Paradigmenwechsel der Fußverkehr wieder von der Politik, der Planungspraxis aber auch von der Immobilienwirtschaft als ein wichtiger Baustein für eine nachhaltige Stadt- und Quartiersentwicklung angesehen. Hierbei wird der Nahmobilität, d.h. der fußläufigen Erreichbarkeit alltagsrelevanter Aktivitätsziele, eine wichtige Rolle beigemessen. Aus verkehrswissenschaftlicher Sicht bleibt bislang die Frage unbeantwortet, inwiefern das theoretische Konstrukt „Nahmobilität“ objektiv ermittelt werden kann. Aus immobilienwirtschaftlicher Sicht ist der Einfluss der Nahmobilität auf die Immobilienpreise von Wohnungen und Häusern in verschiedenen siedlungsstrukturellen Raumtypen von Interesse. Für die theoretische Konzeption eines Nahmobilitätsindikators werden nationale und international empirische Studien zum Fußgängerverhalten sowie Bewohner-, Makler- und Expertenbefragungen ausgewertet. Die praktische Umsetzung des Nahmobilitätsindikators erfolgt mithilfe eines Geographischen Informationssystems für die Städte Frankfurt, Köln und Wiesbaden. Damit können Bereiche mit einem hohen oder niedrigen Nahmobilitätspotential differenziert werden. Ergänzend wird eine Sozialraumanalyse zur Ableitung von vier siedlungsstrukturellen Raumtypen durchgeführt. Aus der Kombination von drei Nahmobilitätsniveau und vier Raumtypen können zwölf Gebietstypen abgeleitet werden, um den Einfluss der Nahmobilität auf Immobilienpreise differenziert analysieren zu können. Nach Herleitung des Angebotspreisfestsetzungsprozesses wird die ökonometrische Analyse mit dem Spatial Durbin Modell (SDM) und dem Ordinary Least Squares Modell (OLS-Modell) auf Stadtteil- und Stadtviertelebene durchgeführt. Die als ebenfalls relevant erachtete geografisch gewichtete Regression (GWR) wird aufgrund räumlicher Autokorrelation der Variablen nicht durchgeführt. Das SDM-Modell hat bei Wohnungen zum Ergebnis, dass Haushalte allgemein Standorte mit einem mittleren Nahmobilitätsniveau vorziehen, da an Standorten mit hohen Nahmobilitätswerten negative externe Effekte (z.B. Lärm) auftreten können. In urbanen Räumen werden niedrige Nahmobilitätswerte als Malus in suburbanen Räumen dagegen als Bonus angesehen. Beide Ergebnisse werden auf Basis von Bewohnerbefragungen plausibilisiert. Bei Häusern führen die ökonometrischen Analysen auf Stadtteil- und Stadtviertelebene zu gegensätzlichen Ergebnissen. Dies wird auf das Problem der veränderbaren Gebietseinheit zurückgeführt. Da auf Stadtviertelebene Gebietsabgrenzungen präziser möglich sind, werden diese als glaubwürdiger angesehen. Damit verbunden ist kein Einfluss der Nahmobilität auf Hauspreise festzustellen. Die Residuen des OLS-Modells weisen erwartungsgemäß eine räumliche Autokorrelation auf, weshalb die Schätzer nur bedingt interpretierbar sind.
Embedded systems, ranging from very simple systems up to complex controllers, may
nowadays have quite challenging real-time requirements. Many embedded systems are reactive
systems that have to respond to environmental events and have to guarantee certain real-time
constrain. Their execution is usually divided into reaction steps, where in each step, the
system reads inputs from the environment and reacts to these by computing corresponding
outputs.
The synchronous Model of Computation (MoC) has proven to be well-suited for the
development of reactive real-time embedded systems whose paradigm directly reflects the
reactive nature of the systems it describes. Another advantage is the availability of formal
verification by model checking as a result of the deterministic execution based on a formal
semantics. Nevertheless, the increasing complexity of embedded systems requires to compensate
the natural disadvantages of model checking that suffers from the well-known state-space
explosion problem. It is therefore natural to try to integrate other verification methods with
the already established techniques. Hence, improvements to encounter these problems are
required, e.g., appropriate decomposition techniques, which encounter the disadvantages
of the model checking approach naturally. But defining decomposition techniques for synchronous
language is a difficult task, as a result of the inherent parallelism emerging from
the synchronous broadcast communication.
Inspired by the progress in the field of desynchronization of synchronous systems by
representing them in other MoCs, this work will investigate the possibility of adapting and use
methods and tools designed for other MoC for the verification of systems represented in the
synchronous MoC. Therefore, this work introduces the interactive verification of synchronous
systems based on the basic foundation of formal verification for sequential programs – the
Hoare calculus. Due to the different models of computation several problems have to be
solved. In particular due to the large amount of concurrency, several parts of the program
are active at the same point of time. In contrast to sequential programs, a decomposition
in the Hoare-logic style that is in some sense a symbolic execution from one control flow
location to another one requires the consideration of several flows here. Therefore, different
approaches for the interactive verification of synchronous systems are presented.
Additionally, the representation of synchronous systems by other MoCs and the influence
of the representation on the verification task by differently embedding synchronous system
in a single verification tool are elaborated.
The feasibility is shown by integration of the presented approach with the established
model checking methods by implementing the AIFProver on top of the Averest system.
Gegenwärtig stellen die hohen Stückkosten das wesentliche Hemmnis für die Marktdurchdringung
endlosfaserverstärkter Bauteile dar. Das umfassende Ziel dieser
Arbeit war daher die Senkung der Prozesskosten durch die Steigerung der Prozessgeschwindigkeit.
Ansatzpunkt bildete der zeitintensive Imprägnierungsvorgang, welcher
durch die Verwendung einer in orthogonaler und planarer Richtung ablaufenden
2D-Imprägnierung optimiert wurde.
In der Analysephase wurden grundlegende Untersuchungen mit einer semi-kontinuierlich
arbeitenden Intervallheißpresse durchgeführt. Dabei zeigten sich komplexe
Wechselwirkungen zwischen inhomogenen Temperatureinstellungen, vorliegender
Druckverteilung, planarem Fließverhalten des Polymers und der resultierenden Imprägnierungsqualität.
Als vorteilhafte Prozessbedingung wurden Polymerfließvorgänge
in Richtung der offenen seitlichen und vorderen Werkzeugkante identifiziert,
welche durch die bei höheren Randtemperaturen vorliegende Druckverteilung begünstigt
werden. Mit einem eigens dafür entwickelten Presswerkzeug ist die prinzipielle
Vorteilhaftigkeit einer Kombination aus orthogonalem und planarem Polymerfließen
auf die Imprägnierungsgeschwindigkeit nachgewiesen worden. Die durchgeführte
Parameterstudie verdeutlicht das Potential durch die Verkürzung der Imprägnierungsdauer
um 33 %. Bei der Analyse der Druckprofile ist für den Übergangsbereich
von der Heiz- zur Kühlzone ein signifikanter Druckabfall festgestellt worden. Um
die dadurch bedingte Dekonsolidierung während der Solidifikation zu verhindern,
wurde ein an das Schwindungsverhalten des Laminats angepasstes Werkzeugdesign
für den Übergangsbereich entwickelt. Dadurch konnte die Reduktion des applizierten
Prozessdrucks verhindert und die Verschlechterung der Organoblechqualität
während der Abkühlung ausgeschlossen werden. Für die Modellierung des
Imprägnierungsvorgangs wurde das B-Faktor-Modell von Mayer durch die Integration
der vom Verarbeitungsdruck abhängigen Sättigungspermeabilität erweitert. Dadurch
wird die Abbildung von Prozessen mit nicht konstantem Prozessdruck ermöglicht.
Die Ergebnisse der Arbeit bilden die Grundlage für die effektive Prozessgestaltung
durch ein materialspezifisches Anlagendesign und die Wahl vorteilhafter Prozessparameter
von der Einzel- bis zur Serienproduktion.
Bei der Herstellung hochbelasteter Strukturbauteile aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) wird verbreitet auf textile Halbzeuge wie Gewebe oder vernähte Biaxial-Gelege zurückgegrif-fen. Diese Halbzeuge zeigen im Verbund mit Kunststoffen periodische out-of-plane Roving-welligkeiten. Die Größe der Welligkeiten hängt unter anderem von den Fertigungsparametern der trockenen Halbzeuge ab. Durch das Verständnis der effektiven Kausalitäten zwischen Rovingwelligkeiten und mechanischem Verhalten soll eine bessere rechnerische Abschätzung der Materialkennwerte erzielt werden.
In dieser Arbeit wurde unter anderem der Einfluss der Welligkeitsparameter Amplitude und Wellenlänge auf die faserparallelen Kennwerte an unidirektional verstärkten Proben unter-sucht. Dafür wurden gezielt unterschiedliche Amplituden und Wellenlängen mit Hilfe von unidirektionalen Geweben in die Probekörper eingebracht. Der Einfluss der Rovingwelligkei-ten auf die Steifigkeiten war kleiner als auf die Festigkeiten. Bei Letzten war zu beobachten, dass die Druckfestigkeiten mehr von den Ondulationen beeinflusst wurden als die Zugfestig-keiten. Außerdem wurden die Welligkeiten und die mechanischen Kennwerte von textilen FKV-Geweben und -Gelegen bestimmt. Bei der Auswahl der untersuchten Halbzeuge war ein wichtiges Kriterium, dass diese auch in der Praxis Anwendung finden.
Im nächsten Schritt wurde ein vereinfachtes Finite-Elemente-Welligkeitsmodell entwickelt, welches es ermöglicht, die faserparallelen Kennwerte ohne zeit- und kostenintensive Materi-alversuche zu bestimmen. Speziell für Gewebe-Materialien mit großen Rovingwelligkeiten ist dieses Modell in der Lage, deutlich bessere Abschätzungen als vorhandene Methoden zu ge-ben. Weiterhin wurde auf dieser Basis ein Regressionsmodell für unidirektional verstärkte Materialien abgeleitet, welches auch dem Konstrukteur ohne Erfahrungen im Umgang mit Finiten-Elemente-Programmen die Anwendung des Welligkeitsmodells ermöglicht.
Der Vorteil des entwickelten Welligkeitsmodells wurde in einem dreistufigen Validierungs-programm nachgewiesen. Dieses beinhaltet den Übergang auf multidirektionale Laminate sowie komplexere Bauteilgeometrien. Die verbesserte Prognose mit Hilfe des Welligkeitsmo-dells zeigte sich vor allem bei Materialien mit großen Rovingwelligkeiten und bei Bauteilen die aufgrund eines Faserbruchs durch eine Druckbelastung versagten.
Einfluss verschiedener Angussszenarien auf den Harzinjektionsprozess und dessen simulative Abbildung
(2014)
Die Herstellung von hochleistungs Kunststoff Verbunden für Strukturbauteile erfolgt
in der Automobilindustrie mittels Resin Transfer Molding (RTM), wobei die Kosten für
die Bauteile sehr hoch sind. Die Kosten müssen durch Prozessoptimierungen deutlich
reduziert werden, um eine breite Anwendung von faserverstärkten Kunststoff
Verbunde zu ermöglichen. Prozesssimulationen spielen hierbei eine entscheidende
Rolle, da zeitaufwendige und kostspielige Praxisversuche ersetzt werden können.
Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit die Potentiale der simulativen Abbbildung
des RTM-Prozesses untersucht. Basis der Simulationen bildete eine umfangreiche
Materialparameterstudie bei der die Permeabilität, von für die Automobilindustrie relevanten
Textilhalbzeugen im ungescherten und gescherten Zustand, untersucht
wurde. Somit konnte der Einfluss von Drapierung bei der Fließsimulation evaluiert
werden. Zudem wurde eine neue Methode zur Ermittlung der zeit-, vernetzungs- und
temperaturabhängigen Viskositätsverläufe von hochreaktiven Harzsystemen entwickelt
und angewendet. Die Fließsimulationsmethode wurde zunächst erfolgreich an
einem ebenen Plattenwerkzeug validiert, um zu zeigen, dass die ermittelten Materialparameter
korrekt bestimmt wurden.
Zur Validierung der Simulation wurde ein komplexes Technologieträgerwerkzeug
(TTW) entwickelt. Die Auslegung der Temperierung wurde mittels Temperiersimulationen
unterstützt. Untersuchungen an markanten Kantenbereichen, wie sie bei Automobilbauteilen
häufig auftreten, haben gezeigt, dass bei Kantenradien < 5 mm ein
Voreilen des Harzsystem zu beachten ist. Zudem konnte mittels verschiedener Angussleisten,
der Einfluss verschiedener Angussszenarien untersucht werden.
Mit Hilfe von Sensoren im TTW wurden die Prozessdaten protokolliert und anschließend
mit den Simulationen verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die simulative
Abbildung des Füllprozesses bei einem komplexen RTM-Werkzeug, trotz einer Vielzahl
an Prozesseinflüssen, möglich ist. Die Abweichungen zwischen der Simulation
und dem Versuch lagen teilweise unter 15 %. Die Belastbarkeit der ermittelten Permeabilitäts-
und Viskositätswerte wurde dadurch nochmals bestätigt. Zudem zeigte
sich, dass die Angussleistenlänge einen signifikanten Einfluss auf die Prozesszeit
hat, wohingegen der Angussleistenquerschnitt eine untergeordnete Rolle spielt.
In recent years the field of polymer tribology experienced a tremendous development
leading to an increased demand for highly sophisticated in-situ measurement methods.
Therefore, advanced measurement techniques were developed and established
in this study. Innovative approaches based on dynamic thermocouple, resistive electrical
conductivity, and confocal distance measurement methods were developed in
order to in-situ characterize both the temperature at sliding interfaces and real contact
area, and furthermore the thickness of transfer films. Although dynamic thermocouple
and real contact area measurement techniques were already used in similar
applications for metallic sliding pairs, comprehensive modifications were necessary to
meet the specific demands and characteristics of polymers and composites since
they have significantly different thermal conductivities and contact kinematics. By using
tribologically optimized PEEK compounds as reference a new measurement and
calculation model for the dynamic thermocouple method was set up. This method
allows the determination of hot spot temperatures for PEEK compounds, and it was
found that they can reach up to 1000 °C in case of short carbon fibers present in the
polymer. With regard to the non-isotropic characteristics of the polymer compound,
the contact situation between short carbon fibers and steel counterbody could be
successfully monitored by applying a resistive measurement method for the real contact
area determination. Temperature compensation approaches were investigated
for the transfer film layer thickness determination, resulting in in-situ measurements
with a resolution of ~0.1 μm. In addition to a successful implementation of the measurement
systems, failure mechanism processes were clarified for the PEEK compound
used. For the first time in polymer tribology the behavior of the most interesting
system parameters could be monitored simultaneously under increasing load
conditions. It showed an increasing friction coefficient, wear rate, transfer film layer
thickness, and specimen overall temperature when frictional energy exceeded the
thermal transport capabilities of the specimen. In contrast, the real contact area between
short carbon fibers and steel decreased due to the separation effect caused by
the transfer film layer. Since the sliding contact was more and more matrix dominated,
the hot spot temperatures on the fibers dropped, too. The results of this failure
mechanism investigation already demonstrate the opportunities which the new
measurement techniques provide for a deeper understanding of tribological processes,
enabling improvements in material composition and application design.
Lokal lastgerecht verstärkte Multimaterialsysteme auf Basis von Polypropylen-Polypropylen-Hybriden
(2014)
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Prozess entwickelt, zur Realisierung lokal, lastgerecht
verstärkter Thermoplast-Hybridbauteile im Einsatzgebiet struktureller Anwendungen
im Automobilbereich. Hierzu wurde effektiv ein formgebender Schritt für
gewebeverstärkte Halbzeuge mit dem in-situ Tapelegeverfahren zur Aufbringung unidirektional
endlos faserverstärkter Bändchenmaterialien kombiniert.
Die durch die symbiotische Ausnutzung der Vorzüge der beiden Verfahren in Kombination
mit Sandwichbauweise realisierten Bauteile, zeichnen sich einerseits durch
eine Reduktion des Gesamtgewichts aus und weisen andererseits ein weit höheres
mechanisches Eigenschaftsprofil auf, als mit rein singulären Prozessschritten möglich
ist.
Im Rahmen des ganzheitlichen Prozessansatz wurden, ausgehend von einer experimentellen
und theoretischen Ermittlung, optimale Prozessparameter für das in-situ
Tapelegeverfahren in Bezug auf die interlaminare Risszähigkeit zwischen den Materialpartnern,
die Grenzschichtgüte beeinflussende Vorgänge ermittelt und diskutiert.
Es konnte gezeigt werden, dass durch die gewählte Prozesskombination deutlich erhöhte
Energiefreisetzungsraten realisiert werden können, verglichen mit Proben,
welche im Autoklav hergestellt wurden. Im Rahmen umfangreicher mechanischen
Charakterisierungsreihen konnte direkter Einfluss der unidirektionalen Verstärkungslagen
auf das mechanische Eigenschaftsprofil der Multimaterialsysteme nachgewiesen
werden. Darüberhinaus wurde das Hybridsystem erfolgreich in einer FESimulation
abgebildet und validiert. Durch eine prozessbasierte, ökonomische Betrachtung
konnte der Prozessansatz gegenüber Konkurrenzverfahren abgegrenzt
und als kosteneffektiv bewertet werden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen einen, sowohl unter mechanischen als auch
ökonomischen Gesichtspunkten, sinnvollen und geeigneten Prozess zur Realisierung
lokal verstärkter struktureller Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mit inhomogener
Lastverteilung auf.
Zur Herstellung von Kolbenbeschichtungen wird oft Polyamidimid (PAI)-Harz eingesetzt.
Dieses Harz benötigt die Verwendung eines Lösungsmittels, welches das Auftragen der
PAI-basierten Beschichtungen ermöglicht und nach der Applikation wieder entzogen
wird. Als Standard zur Herstellung von Polyamidimid-Harzen wird das Lösungsmittel
N-Methyl-2-Pyrrolidone (NMP) verwendet. NMP hat sich im Laufe der Jahre als das am
besten geeigneten Lösungsmittel für diese Anwendung bewährt.
Im Jahr 2010 wurde NMP als toxisch eingestuft. Auch die mittlerweile verwendeten
alternativen Lösungsmittel, N-Ethyl-2-Pyrrolidon (NEP) und gamma-Butyrolacton (GBL),
bringen Schwierigkeiten mit sich: NEP wird aufgrund der Ähnlichkeit seiner chemischen
Struktur zu NMP aller Voraussicht nach in naher Zukunft auch als toxisch eingestuft, und
GBL, als Vorstufe eines Narkotikums, stellt eine Herausforderung mit Hinblick auf
Arbeitsschutz und –sicherheit dar.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines PAI-basierten
Beschichtungssystems, welches ein umweltfreundliches Lösungsmittel verwendet und
die Anforderungen zur Herstellung von Kolbenschaftbeschichtungen hinreichend gut
erfüllt. Desweiteren muss die neu entwickelte PAI-Beschichtung gute mechanische
Eigenschaften, gute Haftfestigkeit zum Kolbengrundmaterial und optimales
tribologisches Verhalten mit Augenmerk auf eine niedrige spezifische Verschleißrate
aufweisen. Diese Eigenschaften müssen nach Aushärtung bei einer Temperatur nicht
höher als 215 °C erfüllbar sein, welche in einem realen Beschichtungsprozess einen
problemlosen Ablauf sicherstellen würde.
Damit die erworbenen mechanischen und tribologischen Endeigenschaften der
hergestellten PAI-basierten Gleitlackbeschichtungen richtig verstanden und interpretiert
werden, wurden die Grundlagen der chemischen Struktur der PAI-Harze möglichst
detailliert untersucht. Diese geben einen tiefen Einblick in die vorliegenden Struktur-
Eigenschafts-Beziehungen und erklären das mechanische und tribologische Verhalten
der PAI-Harze. Eine grundlegende Untersuchung der chemischen Struktur ausgewählter PAI-Harze
ergab neue Erkenntnisse bezüglich deren Aushärtekinetik und gewährleistete die
Aufklärung der chemischen Prozesse, die während der PAI-Aushärtung ablaufen. In
diesem Zusammenhang wurde der Umsatz, die Reaktionsgeschwindigkeit und die
Vernetzungsdichte als Funktion verschiedener Aushärtetemperaturen ermittelt.
Es wurden PAI-Beschichtungssysteme basiert auf verschiedenen Lösungsmittel, wie
z.B. 1,3-Dimethyl-3,4,5,6-tetrahydro-2(1H)-pyrimidinon (DMPU), 1,3-Dimethyl-2-
imidazolidinon (DMEU) und 1-Methylimidazol (MI), tribologisch und mechanisch
analysiert und den NMP-, NEP- und GBL-basierten Systemen gegenüber gestellt.
Aufgrund der zahlreichen Versuche konnte festgestellt werden, dass das Lösungsmittel
1-Methylimidazol die gestellten tribologischen Anforderungen, sogar schon bei der für
eine Kolbenschaftbeschichtung maximal zulässigen Aushärtetemperatur (215 °C), am
besten erfüllt.
Die Untersuchungen der chemischen Struktur und der Aushärtekinetik ergaben die
Ursache für diese guten finalen Eigenschaften des PAI-MI-Harzsystems. Dabei wurde
festgestellt, dass 1-Methylimidazol die Imidisierungsreaktion von PAI katalysiert, so dass
die Aushärtereaktion bei niedriger Aushärtetemperatur vollständiger und mit höherer
Reaktionsrate im Vergleich zu konventionellen PAI-Harzen verläuft. Aufgrund der
Bildung von Wasserstoffbrücken-Bindungen zeigte das PAI-MI-Harz bei einer
Aushärtung mit Endtemperatur 215 °C eine doppelt so hohe Steifigkeit im Vergleich zu
konventionellen Harzsystemen.
Weiterhin ergab die tribologische Versuchsreihe, dass die Zugabe von
aminofunktionalisierten TiO2-Submikropartikeln, kombiniert mit gemahlenen kurzen
Kohlenstofffasern, die tribologischen Eigenschaften von PAI-basierten Beschichtungssystemen
in Motortests signifikant verbesserte. Die Aminofunktionalisierung der TiO2-
Submikropartikel verbesserte deren Anbindung an die aminhaltige PAI-Matrix. Die
gemahlenen kurzen Kohlenstofffasern gewährleisteten eine Minimierung der
Schwierigkeiten beim Siebdruckprozess.
In automotive testrigs we apply load time series to components such that the outcome is as close as possible to some reference data. The testing procedure should in general be less expensive and at the same time take less time for testing. In my thesis, I propose a testrig damage optimization problem (WSDP). This approach improves upon the testrig stress optimization problem (TSOP) used as a state of the art by industry experts.
In both (TSOP) and (WSDP), we optimize the load time series for a given testrig configuration. As the name suggests, in (TSOP) the reference data is the stress time series. The detailed behaviour of the stresses as functions of time are sometimes not the most important topic. Instead the damage potential of the stress signals are considered. Since damage is not part of the objectives in the (TSOP) the total damage computed from the optimized load time series is not optimal with respect to the reference damage. Additionally, the load time series obtained is as long as the reference stress time series and the total damage computation needs cycle counting algorithms and Goodmann corrections. The use of cycle counting algorithms makes the computation of damage from load time series non-differentiable.
To overcome the issues discussed in the previous paragraph this thesis uses block loads for the load time series. Using of block loads makes the damage differentiable with respect to the load time series. Additionally, in some special cases it is shown that damage is convex when block loads are used and no cycle counting algorithms are required. Using load time series with block loads enables us to use damage in the objective function of the (WSDP).
During every iteration of the (WSDP), we have to find the maximum total damage over all plane angles. The first attempt at solving the (WSDP) uses discretization of the interval for plane angle to find the maximum total damage at each iteration. This is shown to give unreliable results and makes maximum total damage function non-differentiable with respect to the plane angle. To overcome this, damage function for a given surface stress tensor due to a block load is remodelled by Gaussian functions. The parameters for the new model are derived.
When we model the damage by Gaussian function, the total damage is computed as a sum of Gaussian functions. The plane with the maximum damage is similar to the modes of the Gaussian Mixture Models (GMM), the difference being that the Gaussian functions used in GMM are probability density functions which is not the case in the damage approximation presented in this work. We derive conditions for a single maximum for Gaussian functions, similar to the ones given for the unimodality of GMM by Aprausheva et al. in [1].
By using the conditions for a single maximum we give a clustering algorithm that merges the Gaussian functions in the sum as clusters. Each cluster obtained through clustering is such that it has a single maximum in the absence of other Gaussian functions of the sum. The approximate point of the maximum of each cluster is used as the starting point for a fixed point equation on the original damage function to get the actual maximum total damage at each iteration.
We implement the method for the (TSOP) and the two methods (with discretization and with clustering) for (WSDP) on two example problems. The results obtained from the (WSDP) using discretization is shown to be better than the results obtained from the (TSOP). Furthermore we show that, (WSDP) using clustering approach to finding the maximum total damage, takes less number of iterations and is more reliable than using discretization.
‘Dioxin-like’ (DL) compounds occur ubiquitously in the environment. Toxic responses associated with specific dibenzo-p-dioxins (PCDDs), dibenzofurans (PCDFs), and polychlorinated biphenyls (PCBs) include dermal toxicity, immunotoxicity, liver toxicity, carcinogenicity, as well as adverse effects on reproduction, development, and endocrine functions. Most, if not all of these effects are believed to be due to interaction of these compounds with the aryl hydrocarbon receptor (AhR).
With tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) as representatively most potent congener, a toxic equivalency factor (TEF) concept was employed, in which respective congeners were assigned to a certain TEF-value reflecting the compound’s toxicity relative to TCDD’s.
The EU-project ‘SYSTEQ’ aimed to develop, validate, and implement human systemic TEFs as indicators of toxicity for DL-congeners. Hence, the identification of novel quantifiable biomarkers of exposure was a major objective of the SYSTEQ project.
In order to approach to this objective, a mouse whole genome microarray analysis was applied using a set of seven individual congeners, termed the ‘core congeners’. These core congeners (TCDD, 1-PeCDD, 4-PeCDF, PCB 126, PCB 118, PCB 156, and the non dioxin-like PCB 153), which contribute to approximately 90% of toxic equivalents (TEQs) in the human food chain, were further tested in vivo as well as in vitro. The mouse whole genome microarray revealed a conserved list of differentially regulated genes and pathways associated with ‘dioxin-like’ effects.
A definite data-set of in vitro studies was supposed to function as a fundament for a probable establishment of novel TEFs. Thus, CYP1A induction measured by EROD activity, which represents a sensitive and yet best known marker for dioxin-like effects, was used to estimate potency and efficacy of selected congeners. For this study, primary rat hepatocytes and the rat hepatoma cell line H4IIE were used as well as the core congeners and an additional group of compounds of comparable relevance for the environment: 1,6-HxCDD, 1,4,6-HpCDD, TCDF, 1,4-HxCDF, 1,4,6-HpCDF, PCB 77, and PCB 105.
Besides, a human whole genome microarray experiment was applied in order to gain knowledge with respect to TCDD’s impact towards cells of the immune system. Hence, human primary blood mononuclear cells (PBMCs) were isolated from individuals and exposed to TCDD or to TCDD in combination with a stimulus (lipopolysaccharide (LPS), or phytohemagglutinin (PHA)). A few members of the AhR-gene batterie were found to be regulated, and minor data with respect to potential TCDD-mediated immunomodulatory effects were given. Still, obtained data in this regard was limited due to great inter-individual differences.
In this thesis, we combine Groebner basis with SAT Solver in different manners.
Both SAT solvers and Groebner basis techniques have their own strength and weakness.
Combining them could fix their weakness.
The first combination is using Groebner techniques to learn additional binary clauses for SAT solver from a selection of clauses. This combination is first proposed by Zengler and Kuechlin.
However, in our experiments, about 80 percent Groebner basis computations give no new binary clauses.
By selecting smaller and more compact input for Groebner basis computations, we can significantly
reduce the number of inefficient Groebner basis computations, learn much more binary clauses. In addition,
the new strategy can reduce the solving time of a SAT Solver in general, especially for large and hard problems.
The second combination is using all-solution SAT solver and interpolation to compute Boolean Groebner bases of Boolean elimination ideals of a given ideal. Computing Boolean Groebner basis of the given ideal is an inefficient method in case we want to eliminate most of the variables from a big system of Boolean polynomials.
Therefore, we propose a more efficient approach to handle such cases.
In this approach, the given ideal is translated to the CNF formula. Then an all-solution SAT Solver is used to find the projection of all solutions of the given ideal. Finally, an algorithm, e.g. Buchberger-Moeller Algorithm, is used to associate the reduced Groebner basis to the projection.
We also optimize the Buchberger-Moeller Algorithm for lexicographical ordering and compare it with Brickenstein's interpolation algorithm.
Finally, we combine Groebner basis and abstraction techniques to the verification of some digital designs that contain complicated data paths.
For a given design, we construct an abstract model.
Then, we reformulate it as a system of polynomials in the ring \({\mathbb Z}_{2^k}[x_1,\dots,x_n]\).
The variables are ordered in a way such that the system has already been a Groebner basis w.r.t lexicographical monomial ordering.
Finally, the normal form is employed to prove the desired properties.
To evaluate our approach, we verify the global property of a multiplier and a FIR filter using the computer algebra system Singular. The result shows that our approach is much faster than the commercial verification tool from Onespin on these benchmarks.
Test rig optimization
(2014)
Designing good test rigs for fatigue life tests is a common task in the auto-
motive industry. The problem to find an optimal test rig configuration and
actuator load signals can be formulated as a mathematical program. We in-
troduce a new optimization model that includes multi-criteria, discrete and
continuous aspects. At the same time we manage to avoid the necessity to
deal with the rainflow-counting (RFC) method. RFC is an algorithm, which
extracts load cycles from an irregular time signal. As a mathematical func-
tion it is non-convex and non-differentiable and, hence, makes optimization
of the test rig intractable.
The block structure of the load signals is assumed from the beginning.
It highly reduces complexity of the problem without decreasing the feasible
set. Also, we optimize with respect to the actuators’ positions, which makes
it possible to take torques into account and thus extend the feasible set. As
a result, the new model gives significantly better results, compared with the
other approaches in the test rig optimization.
Under certain conditions, the non-convex test rig problem is a union of
convex problems on cones. Numerical methods for optimization usually need
constraints and a starting point. We describe an algorithm that detects each
cone and its interior point in a polynomial time.
The test rig problem belongs to the class of bilevel programs. For every
instance of the state vector, the sum of functions has to be maximized. We
propose a new branch and bound technique that uses local maxima of every
summand.
Perceptual grouping is an integral part of visual object recognition. It organizes elements within our visual field according to a set of heuristics (grouping principles), most of which are not well understood. To identify their temporal processing dynamics (i.e., to identify whether they rely on neuronal feedforward or recurrent activation), we introduce the primed flanker task that is based on a firm empirical and theoretical background. In three sets of experiments, participants responded to visual stimuli that were either grouped by (1) similarity of brightness, shape, or size, (2) symmetry and closure, or (3) Good Gestalt. We investigated whether these grouping cues were effective in rapid visuomotor processing (i.e., in terms of response times, error rates, and priming effects) and whether the results met theory-driven indicators of feedforward processing. (1) In the first set of experiments with similarity cues, we varied subjective grouping strength and found that stronger grouping in the targets enhanced overall response times while stronger grouping in the primes enhanced priming effects in motor responses. We also obtained differences between rapid visuomotor processing and the subjective impression with cues of brightness and shape but not with cues of brightness and size. These results show that the primed flanker task is an objective measure for comparing different feedforward-transmitted groupings. (2) In the second set of experiments, we used the task to study grouping by symmetry and grouping by closure that are more complex than similarity cues. We obtained results that were mostly in accordance with a feedforward model. Some other factors (line of view, orientation of the symmetry axis) were irrelevant for processing of symmetry cues. Thus, these experiments suggest that closure and (possibly) viewpoint-independent symmetry cues are extracted rapidly during the first feedforward wave of neuronal processing. (3) In the third set of experiments, we used the task to study grouping by Good Gestalt (i.e., visual completion in occluded shapes). By varying the amount of occlusion, we found that the processing was in accordance with a feedforward model only when occlusion was very limited. Thus, these experiments suggest that Good Gestalt is not extracted rapidly during the first feedforward wave of neuronal processing but relies on recurrent activation. I conclude (1) that the primed flanker task is an excellent tool to identify and compare the processing characteristics of different grouping cues by behavioral means, (2) that grouping strength and other factors are strongly modulating these processing characteristics, which (3) challenges a dichotomous classification of grouping cues based on feedforward vs. recurrent processing (incremental grouping theory, Roelfsema, 2006), and (4) that a focus on temporal processing dynamics is necessary to understand perceptual grouping.
This thesis combines mass spectrometric studies on ionic dicarboxylic acids and transition metal cluster adsorbate complexes. IR-MPD spectra of protonated and deprotonated aliphatic and aromatic dicarboxylic acids provide insights in the nature of intramolecular hydrogen bonding. Investigations of their fragmentation behavior are supported by MP2 calculations. Prior work on cobalt transition metal clusters is extended to iron and nickel and three cobalt alloys have been studied.
Pedestrian Flow Models
(2014)
There have been many crowd disasters because of poor planning of the events. Pedestrian models are useful in analysing the behavior of pedestrians in advance to the events so that no pedestrians will be harmed during the event. This thesis deals with pedestrian flow models on microscopic, hydrodynamic and scalar scales. By following the Hughes' approach, who describes the crowd as a thinking fluid, we use the solution of the Eikonal equation to compute the optimal path for pedestrians. We start with the microscopic model for pedestrian flow and then derive the hydrodynamic and scalar models from it. We use particle methods to solve the governing equations. Moreover, we have coupled a mesh free particle method to the fixed grid for solving the Eikonal equation. We consider an example with a large number of pedestrians to investigate our models for different settings of obstacles and for different parameters. We also consider the pedestrian flow in a straight corridor and through T-junction and compare our numerical results with the experiments. A part of this work is devoted for finding a mesh free method to solve the Eikonal equation. Most of the available methods to solve the Eikonal equation are restricted to either cartesian grid or triangulated grid. In this context, we propose a mesh free method to solve the Eikonal equation, which can be applicable to any arbitrary grid and useful for the complex geometries.
Technik ist in der heutigen Zeit allgegenwärtig. Bei all ihrer Omnipräsenz wird jedoch leicht übersehen, dass die Frage nach der Technik selber, d.h. die Frage danach, was genau unter „Technik“ überhaupt zu verstehen ist, bisher weitestgehend undeutlich geblieben ist.
Für die Philosophie erwächst daraus die Aufgabe, an dieser Stelle begriffsklärend einzugreifen.
Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, einen Beitrag zu einem besseren Verständnis von Technik und technischen Artefakten zu leisten. Die Argumentation gliedert sich dabei in zwei Schritte: Zuerst wird gezeigt, dass sich Technik nur in ihren Abgrenzungsverhältnissen zur Natur und zum Leben verstehen lässt und eine dem entsprechende Definition des Technikbegriffs vorgeschlagen. Anschließend wird daraus ein Verständnis technischer Artefakte im Sinne einer artefaktischen Technik abgeleitet.
Die Gliederung der Arbeit besteht dann im wesentlichen aus drei Teilen:
1. Das erste Kapitel dient der Einführung in die Problematik des Technikbegriffs:
Dabei wird in einem ersten Abschnitt auf die historische Dimension des Technikbegriffs verwiesen (1.1), anschließend die gegenwärtige Diskussion um den Technikbegriff zusammengefasst und kritisch bewertet (1.2) sowie Klassifikationen bzw. Kriterien hinsichtlich einer möglichen Definition des Technikbegriffs vorgeschlagen (1.3).
2. Das zweite Kapitel dient der Etablierung eines Technikbegriffs, der sich als semantisch abhängig von den Begriffen „Leben“ und „Natur“ erweist:
Dabei wird in einem ersten Abschnitt ein solches semantisches Verhältnis der Begriffe zueinander von anderen Möglichkeiten wechselseitiger Abgrenzung unterschieden (2.1). Sodann wird diese Abgrenzung mittels sogenannter Konstitutionsformen inhaltlich aufgefüllt (2.2). Nach der ausführlichen Erläuterung dieser Konstitutionsformen in ihrem paarweisen Zusammenhang, wird eine auf ihnen beruhende Definition von „Technik“ vorgeschlagen. In einem dritten Abschnitt wird das Modell der Konstitutionsformen um sogenannte Erschließungsformen erweitert, als diejenigen Fragehorizonte, mittels denen eine Binnendifferenzierung in verschieden Arten von Technik gelingt (2.3). In der Folge davon, wird eine Definition für eine jeweils „spezifische Technik“ vorgeschlagen.
3. Das dritte Kapitel dient der Untersuchung des ontologischen Status' technischer Artefakte:
Dabei werden technische Artefakte im Sinne einer „spezifischen Technik“ konkretisiert und damit als eine artefaktische Technik interpretiert (3.1). Anschließend wird überprüft, inwiefern sich eine solche Interpretation bezüglich a) der Frage, ob technische Artefakte natürliche Arten darstellen, bzw. b) des Problems der Koinzidenz von Objekten bewährt. Die aus diesen Überlegungen heraus gewonnenen Erkenntnisse werden abschließend in ihrer Anwendung auf Grenzfälle technischer Artefakte fruchtbar gemacht (3.2).
Feine Feststoffe mit einer Korngröße zwischen > 45 µm und ≤ 63 µm (PM63) können als Maß für eine Belastung von Niederschlagsabflüssen dienen, da sie abhängig von der Herkunftsfläche überproportional mit Schadstoffen, wie z.B. Schwermetalle, belastet sein können. Neben den Aktivitäten auf der Herkunftsfläche (Staubniederschlag, Verkehr) beeinflussen jahreszeitliche Randbedingungen und bauliche Gegebenheiten das Feststoffaufkommen sowie den Feststofftransport in die Niederschlagsabflüsse maßgeblich.
Das Ziel der Arbeit war, den Kenntnisstand bezüglich Herkunft, Verhalten und Verbleib, aber auch Zusammensetzung und Korngrößenverteilung von Feststoffen auf Verkehrs- und Dachflächen darzustellen. Anhand der Kenntnisse und der Auswertung von Ergebnissen aus Messkampagnen wurden Gleichungen für unterschiedliche Herkunftsflächen (Verkehrsflächen, Dachflächen, Mischflächen) entwickelt, mit denen das flächenspezifische jährliche Aufkommen abfiltrierbarer Stoffe (AFS) und feiner Feststoffe (PM63) in [kg/(ha∙a)] bzw. jeweils eine mittlere Jahreskonzentration in [mg/l] abgeschätzt werden können.
Die Gleichungen wurden schließlich jeweils einer Sensitivitätsanalyse unterzogen und anhand von gut beschriebenen Messprogrammen zur Gesamtfeststoffkonzentration (AFS) verifiziert.
Da es derzeit noch wenige Studien bezüglich des Aufkommens und -transportes feiner Feststoffe in Niederschlagsabflüssen gibt, blieben einige Fragestellungen offen. Sind in Zukunft weitere Studien über PM63-Anteile, -Aufkommen und -Transport verfügbar, lassen sich die hier zunächst vorgeschlagenen PM63-Anteile und -Faktoren problemlos anpassen.
This dissertation focuses on the evaluation of technical and environmental sustainability of water distribution systems based on scenario analysis. The decision support system is created to assist in the decision making-process and to visualize the results of the sustainability assessment for current and future populations and scenarios. First, a methodology is developed to assess the technical and environmental sustainability for the current and future water distribution system scenarios. Then, scenarios are produced to evaluate alternative solutions for the current water distribution system as well as future populations and water demand variations. Finally, a decision support system is proposed using a combination of several visualization approaches to increase the data readability and robustness for the sustainability evaluations of the water distribution system.
The technical sustainability of a water distribution system is measured using the sustainability index methodology which is based on the reliability, resiliency and vulnerability performance criteria. Hydraulic efficiency and water quality requirements are represented using the nodal pressure and water age parameters, respectively. The U.S. Environmental Protection Agency EPANET software is used to simulate hydraulic (i.e. nodal pressure) and water quality (i.e. water age) analysis in a case study. In addition, the environmental sustainability of a water network is evaluated using the “total fresh water use” and “total energy intensity” indicators. For each scenario, multi-criteria decision analysis is used to combine technical and environmental sustainability criteria for the study area.
The technical and environmental sustainability assessment methodology is first applied to the baseline scenario (i.e. the current water distribution system). Critical locations where hydraulic efficiency and water quality problems occur in the current system are identified. There are two major scenario options that are considered to increase the sustainability at these critical locations. These scenarios focus on creating alternative systems in order to test and verify the technical and environmental sustainability methodology rather than obtaining the best solution for the current and future water distribution systems. The first scenario is a traditional approach in order to increase the hydraulic efficiency and water quality. This scenario includes using additional network components such as booster pumps, valves etc. The second scenario is based on using reclaimed water supply to meet the non-potable water demand and fire flow. The fire flow simulation is specifically included in the sustainability assessment since regulations have significant impact on the urban water infrastructure design. Eliminating the fire flow need from potable water distribution systems would assist in saving fresh water resources as well as to reduce detention times.
The decision support system is created to visualize the results of each scenario and to effectively compare these results with each other. The EPANET software is a powerful tool used to conduct hydraulic and water quality analysis but for the decision support system purposes the visualization capabilities are limited. Therefore, in this dissertation, the hydraulic and water quality simulations are completed using EPANET software and the results for each scenario are visualized by combining several visualization techniques in order to provide a better data readability. The first technique introduced here is using small multiple maps instead of the animation technique to visualize the nodal pressure and water age parameters. This technique eliminates the change blindness and provides easy comparison of time steps. In addition, a procedure is proposed to aggregate the nodes along the edges in order to simplify the water network. A circle view technique is used to visualize two values of a single parameter (i.e. the nodal pressure or water age). The third approach is based on fitting the water network into a grid representation which assists in eliminating the irregular geographic distribution of the nodes and improves the visibility of each circle view. Finally, a prototype for an interactive decision support tool is proposed for the current population and water demand scenarios. Interactive tools enable analyzing of the aggregated nodes and provide information about the results of each of the current water distribution scenarios.
Optical character recognition (OCR) of machine printed text is ubiquitously considered as a solved problem. However, error free OCR of degraded (broken and merged) and noisy text is still challenging for modern OCR systems. OCR of degraded text with high accuracy is very important due to many applications in business, industry and large scale document digitization projects. This thesis presents a new OCR method for degraded
text recognition by introducing a combined ANN/HMM OCR approach. The approach
provides significantly better performance in comparison with state-of-the-art HMM based OCR methods and existing open source OCR systems. In addition, the thesis introduces novel applications of ANNs and HMMs for document image preprocessing and recognition of low resolution text. Furthermore, the thesis provides psychophysical experiments to determine the effect of letter permutation in visual word recognition of Latin and Cursive
script languages.
HMMs and ANNs are widely employed pattern recognition paradigms and have been
used in numerous pattern classification problems. This work presents a simple and novel method for combining the HMMs and ANNs in application to segmentation free OCR of degraded text. HMMs and ANNs are powerful pattern recognition strategies and their combination is interesting to improve current state-of-the-art research in OCR. Mostly, previous attempts in combining the HMMs and ANNs were focused on applying ANNs
as approximation of the probability density function or as a neural vector quantizer for HMMs. These methods either require combined NN/HMM training criteria [ECBG-MZM11] or they use complex neural network architecture like time delay or space displacement neural networks [BLNB95]. However, in this work neural networks are used as discriminative feature extractor, in combination with novel text line scanning mechanism, to extract discriminative features from unsegmented text lines. The features are
processed by HMMs to provide segmentation free text line recognition. The ANN/HMM modules are trained separately on a common dataset by using standard machine learning procedures. The proposed ANN/HMM OCR system also realizes to some extent several cognitive reading based strategies during the OCR. On a dataset of 1,060 degraded text lines extracted from the widely used UNLV-ISRI benchmark database [TNBC99], the presented system achieves a 30% reduction in error rate as compared to Google’s Tesseract OCR system [Smi13] and 43% reduction in error as compared to OCRopus OCR system [Bre08], which are the best open source OCR systems available today.
In addition, this thesis introduces new applications of HMMs and ANNs in OCR and document images preprocessing. First, an HMMs-based segmentation free OCR approach is presented for recognition of low resolution text. OCR of low resolution text is quite important due to presence of low resolution text in screen-shots, web images and video captions. OCR of low resolution text is challenging because of antialiased rendering and use of very small font size. The characters in low resolution text are usually joined to each other and they may appear differently at different locations on computer screen. This
work presents the use of HMMs in optical recognition of low resolution isolated characters and text lines. The evaluation of the proposed method shows that HMMs-based OCR techniques works quite well and reaches the performance of specialized approaches for OCR of low resolution text.
Then, this thesis presents novel applications of ANNs for automatic script recognition and orientation detection. Script recognition determines the written script on the page for the application of an appropriate character recognition algorithm. Orientation detection detects and corrects the deviation of the document’s orientation angle from the horizontal direction. Both, script recognition and orientation detection, are important preprocessing steps in developing robust OCR systems. In this work, instead of extracting handcrafted features, convolutional neural networks are used to extract relevant discriminative features for each classification task. The proposed method resulted in more than 95% script recognition accuracy on various multi-script documents at connected component level
and 100% page orientation detection accuracy for Urdu documents.
Human reading is a nearly analogous cognitive process to OCR that involves decoding of printed symbols into meanings. Studying the cognitive reading behavior may help in building a robust machine reading strategy. This thesis presents a behavioral study that deals on how cognitive system works in visual recognition of words and permuted non-words. The objective of this study is to determine the impact of overall word shape
in visual word recognition process. The permutation is considered as a source of shape degradation and visual appearance of actual words can be distorted by changing the constituent letter positions inside the words. The study proposes a hypothesis that reading of words and permuted non-words are two distinct mental level processes, and people use
different strategies in handling permuted non-words as compared to normal words. The hypothesis is tested by conducting psychophysical experiments in visual recognition of words from orthographically different languages i.e. Urdu, German and English. Experimental data is analyzed using analysis of variance (ANOVA) and distribution free rank tests to determine significance differences in response time latencies for two classes of data. The results support the presented hypothesis and the findings are consistent with
the dual route theories of reading.
Multilevel Constructions
(2014)
The thesis consists of the two chapters.
The first chapter is addressed to make a deep investigation of the MLMC method. In particular we take an optimisation view at the estimate. Rather than fixing the number of discretisation points \(n_i\) to be a geometric sequence, we are trying to find an optimal set up for \(n_i\) such that for a fixed error the estimate can be computed within a minimal time.
In the second chapter we propose to enhance the MLMC estimate with the weak extrapolation technique. This technique helps to improve order of a weak convergence of a scheme and as a result reduce CC of an estimate. In particular we study high order weak extrapolation approach, which is know not be inefficient in the standard settings. However, a combination of the MLMC and the weak extrapolation yields an improvement of the MLMC.
In the presented work, I evaluate if and how Virtual Reality (VR) technologies can be used to support researchers working in the geosciences by providing immersive, collaborative visualization systems as well as virtual tools for data analysis. Technical challenges encountered in the development of theses systems are identified and solutions for these are provided.
To enable geologists to explore large digital terrain models (DTMs) in an immersive, explorative fashion within a VR environment, a suitable terrain rendering algorithm is required. For realistic perception of planetary curvature at large viewer altitudes, spherical rendering of the surface is necessary. Furthermore, rendering must sustain interactive frame rates of about 30 frames per second to avoid sensory confusion of the user. At the same time, the data structures used for visualization should also be suitable for efficiently computing spatial properties such as height profiles or volumes in order to implement virtual analysis tools. To address these requirements, I have developed a novel terrain rendering algorithm based on tiled quadtree hierarchies using the HEALPix parametrization of a sphere. For evaluation purposes, the system is applied to a 500 GiB dataset representing the surface of Mars.
Considering the current development of inexpensive remote surveillance equipment such as quadcopters, it seems inevitable that these devices will play a major role in future disaster management applications. Virtual reality installations in disaster management headquarters which provide an immersive visualization of near-live, three-dimensional situational data could then be a valuable asset for rapid, collaborative decision making. Most terrain visualization algorithms, however, require a computationally expensive pre-processing step to construct a terrain database.
To address this problem, I present an on-the-fly pre-processing system for cartographic data. The system consists of a frontend for rendering and interaction as well as a distributed processing backend executing on a small cluster which produces tiled data in the format required by the frontend on demand. The backend employs a CUDA based algorithm on graphics cards to perform efficient conversion from cartographic standard projections to the HEALPix-based grid used by the frontend.
Measurement of spatial properties is an important step in quantifying geological phenomena. When performing these tasks in a VR environment, a suitable input device and abstraction for the interaction (a “virtual tool”) must be provided. This tool should enable the user to precisely select the location of the measurement even under a perspective projection. Furthermore, the measurement process should be accurate to the resolution of the data available and should not have a large impact on the frame rate in order to not violate interactivity requirements.
I have implemented virtual tools based on the HEALPix data structure for measurement of height profiles as well as volumes. For interaction, a ray-based picking metaphor was employed, using a virtual selection ray extending from the user’s hand holding a VR interaction device. To provide maximum accuracy, the algorithms access the quad-tree terrain database at the highest available resolution level while at the same time maintaining interactivity in rendering.
Geological faults are cracks in the earth’s crust along which a differential movement of rock volumes can be observed. Quantifying the direction and magnitude of such translations is an essential requirement in understanding earth’s geological history. For this purpose, geologists traditionally use maps in top-down projection which are cut (e.g. using image editing software) along the suspected fault trace. The two resulting pieces of the map are then translated in parallel against each other until surface features which have been cut by the fault motion come back into alignment. The amount of translation applied is then used as a hypothesis for the magnitude of the fault action. In the scope of this work it is shown, however, that performing this study in a top-down perspective can lead to the acceptance of faulty reconstructions, since the three-dimensional structure of topography is not considered.
To address this problem, I present a novel terrain deformation algorithm which allows the user to trace a fault line directly within a 3D terrain visualization system and interactively deform the terrain model while inspecting the resulting reconstruction from arbitrary perspectives. I demonstrate that the application of 3D visualization allows for a more informed interpretation of fault reconstruction hypotheses. The algorithm is implemented on graphics cards and performs real-time geometric deformation of the terrain model, guaranteeing interactivity with respect to all parameters.
Paleoceanography is the study of the prehistoric evolution of the ocean. One of the key data sources used in this research are coring experiments which provide point samples of layered sediment depositions at the ocean floor. The samples obtained in these experiments document the time-varying sediment concentrations within the ocean water at the point of measurement. The task of recovering the ocean flow patterns based on these deposition records is a challenging inverse numerical problem, however.
To support domain scientists working on this problem, I have developed a VR visualization tool to aid in the verification of model parameters by providing simultaneous visualization of experimental data from coring as well as the resulting predicted flow field obtained from numerical simulation. Earth is visualized as a globe in the VR environment with coring data being presented using a billboard rendering technique while the
time-variant flow field is indicated using Line-Integral-Convolution (LIC). To study individual sediment transport pathways and their correlation with the depositional record, interactive particle injection and real-time advection is supported.
We consider two major topics in this thesis: spatial domain partitioning which serves as a framework to simulate creep flows in representative volume elements.
First, we introduce a novel multi-dimensional space partitioning method. A new type of tree combines the advantages of the Octree and the KD-tree without having their disadvantages. We present a new data structure allowing local refinement, parallelization and proper restriction of transition ratios between nodes. Our technique has no dimensional restrictions at all. The tree's data structure is defined by a topological algebra based on the symbols \( A = \{ L, I, R \} \) that encode the partitioning steps. The set of successors is restricted such that each node has the partition of unity property to partition domains without overlap. With our method it is possible to construct a wide choice of spline spaces to compress or reconstruct scientific data such as pressure and velocity fields and multidimensional images. We present a generator function to build a tree that represents a voxel geometry. The space partitioning system is used as a framework to allow numerical computations. This work is triggered by the problem of representing, in a numerically appropriate way, huge three-dimensional voxel geometries that could have up to billions of voxels. These large datasets occure in situations where it is needed to deal with large representative volume elements (REV).
Second, we introduce a novel approach of variable arrangement for pressure and velocity to solve the Stokes equations. The basic idea of our method is to arrange variables in a way such that each cell is able to satisfy a given physical law independently from its neighbor cells. This is done by splitting velocity values to a left and right converging component. For each cell we can set up a small linear system that describes the momentum and mass conservation equations. This formulation allows to use the Gauß-Seidel algorithm to solve the global linear system. Our tree structure is used for spatial partitioning of the geometry and provides a proper initial guess. In addition, we introduce a method that uses the actual velocity field to refine the tree and improve the numerical accuracy where it is needed. We developed a novel approach rather than using existing approaches such as the SIMPLE algorithm, Lattice-Boltzmann methods or Exlicit jump methods since they are suited for regular grid structures. Other standard CFD approaches extract surfaces and creates tetrahedral meshes to solve on unstructured grids thus can not be applied to our datastructure. The discretization converges to the analytical solution with respect to grid refinement. We conclude a high strength in computational time and memory for high porosity geometries and a high strength in memory requirement for low porosity geometries.
Enhanced information processing of phobic natural images in participants with specific phobias
(2014)
From an evolutionary point of view, it can be assumed that visual processing and rapid detection of potentially dangerous stimuli in the environment (e.g., perilous animals) is highly adaptive for all humans. In the present dissertation, I address three research questions; (1) Is information processing of threatening stimuli enhanced in individuals with specific phobias? (2) Are there any differences between the different types of phobia (e.g., spider phobia vs. snake phobia)? (3) Is the frequently reported attentional bias of individuals with specific phobias - which may contribute to an enhancement in information processing – also detectable in a prior entry paradigm? In Experiments 1 to 3 of the present thesis non-anxious control, spider-fearful, snake-fearful, and blood-injection-injury-fearful participants took part in the study. We applied in each experiment a response priming paradigm which has a strong theoretical (cf. rapid-chase theory; Schmidt, Niehaus, & Nagel, 2006; Schmidt, Haberkamp, Veltkamp et al., 2011) as well as empirical background (cf. Schmidt, 2002). We show that information processing in fearful individuals is indeed enhanced for phobic images (i.e., spiders for spider-fearful participants; injuries for blood-injury-injection(BII)-fearful individuals). However, we found marked differences between the different types of phobia. In Experiment 1 and 2 (Chapter 2 and 3), spiders had a strong and specific influence in the group of spider-fearful individuals: Phobic primes entailed the largest priming effects, and phobic targets accelerated responses, both effects indicating speeded response activation by phobic images. In snake-fearful participants (Experiment 1, Chapter 2), this processing enhancement for phobic material was less pronounced and extended to both snake and spider images. In Experiment 3 (Chapter 4), we demonstrated that early information processing for pictures of small injuries is also enhanced in BII-fearful participants, even though BII fear is unique in that BII-fearful individuals show opposite physiological reactions when confronted with the phobic stimulus compared to individuals with animal phobias. These results show that already fast visuomotor responses are further enhanced in spider- and BII-fearful participants. Results give evidence that responses are based on the first feedforward sweep of neuronal activation proceeding through the visuomotor system. I propose that the additional enhancement in spider- and BII-fearful individuals depend on a specific hardwired binding of elementary features belonging to the phobic object in fearful individuals (i.e., effortless recognition of the respective phobic object via hardwired neuronal conjunctions). I suggest that these hardwired conjunctions developed due to long-term perceptual learning processes. We also investigate the frequently reported attentional bias of phobic individuals and showed that this bias is detectable in temporal order judgments using a prior entry paradigm. I assume that perceptual learning processes might also strengthen the attentional bias, for example, by providing a more salient bottom-up signal that draws attention involuntarily. In sum, I conclude that (1) early information processing of threatening stimuli is indeed enhanced in individuals with specific phobias but that (2) differences between divers types of phobia exist (i.e., spider- and BII-fearful participants show enhanced information of the respective phobic object; though, snake-fearful participants show no specific information processing enhancement of snakes); (3) the frequently reported attentional bias of spider-fearful individuals is also detectable in a prior entry paradigm.
Carbonsäuren sind in einer breiten strukturellen Vielfalt aus natürlichen Quellen oder über präparative Wege zugänglich und stellen daher attraktive Ausgangsverbindungen für die Erforschung neuer Reaktionen dar. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Entwicklung nachhaltiger katalytischer Verfahren zur Erschließung neuer Einsatzmöglichkeiten von Carbonsäuren und deren Derivaten. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein rhodiumkatalysiertes Verfahren zur ortho-Acylierung von Carbonsäuren mit Carbonsäureanhydriden entwickelt werden, wodurch ein neuer Zugang zu 2-Acylbenzoesäuren geschaffen wurde. Durch die Kombination mit einem nachfolgenden Protodecarboxylierungsschritt ließen sich dadurch auch Arylketone mit einem definierten Substitutionsmuster synthetisieren. Mit der Weiterentwicklung dieses Verfahrens zu einer Eintopfmethode basierend auf einer C-H-Acylierung / Acylalisierung / Eliminierungskaskade wurde zusätzlich ein neuer Zugang zu 3-Alkylidenphthaliden eröffnet.
Eine alternative Darstellungsmöglichkeit von Arylketonen wurde durch die Entwicklung einer eisenkatalysierten decarboxylierenden Kreuzketonisierung von aromatischen mit aliphatischen Carbonsäuren erreicht. TEM- und STEM-Untersuchungen des Eisenkatalysators nach der Reaktion zeigten, dass dieses Verfahren auch zur Synthese von magnetischen Nanopartikeln genutzt werden kann. Die Weiterentwicklung dieses Verfahrens führte schließlich zu einer effizienten Synthesemethode für monodisperse Maghemit- und Ferrit-Nanokristalle ausgehend von elementaren Metallen.
Zuletzt wurde ein Verfahren zur Aktivierung von Carbonsäuren mittels Isomerisierung von Allylestern zu Enolestern entwickelt. Der dimere Palladium(I)komplex [Pd(μ-Br)P(tBu)3]2 wurde dabei erstmals als geeigneter Katalysator für Doppelbindungsmigrationen identifiziert. Katalysatorbeladungen von bis zu 0.25 mol% reichten bereits aus, um eine vollständige Umsetzung der Allylester zu Enolestern bei sehr milden Temperaturen von bis zu 25 °C zu ermöglichen. Als ein Beispiel für die breite Einsetzbarkeit von Enolestern wurden verzweigte Enolester über eine rhodiumkatalysierte asymmetrische Hydrierung in gesättigte chirale Ester mit hohem Enantiomerenüberschuss überführt. Zusätzlich wurden erste NMR-spektroskopische Untersuchungen und DFT-Berechnungen zur mechanistischen Aufklärung der katalytisch aktiven Spezies aus dem Pd(I)-Dimer angefertigt.
According to the domain specific models of speech perception, speech is supposed to be processed distinctively compared to non-speech. This assumption is supported by many studies dealing with the processing of speech and non-speech stimuli. However, the complexity of both stimulus classes is not matched in most studies, which might be a confounding factor, according to the cue specific models of speech perception. One solution is spectrally rotated speech, which has already been used in a range of fMRI and PET studies. In order to be able to investigate the role of stimulus complexity, vowels, spectrally rotated vowels and a second non-speech condition with two bands of sinusoidal waves, representing the first two formants of the vowels, were used in the present thesis. A detailed description of the creation and the properties of the whole stimulus set are given in Chapter 2 (Experiment 1) of this work. These stimuli were used to investigate the auditory processing of speech and non-speech sounds in a group of dyslexic adults and age matched controls (Experiment 2). The results support the assumption of a general auditory deficit in dyslexia. In order to compare the sensory processing of speech and non-speech in healthy adults on the electrophysiological level, stimuli were also presented within a multifeature oddball paradigm (Experiment 3). Vowels evoked a larger mismatch negativity (MMN) compared to both non-speech stimulus types. The MMN evoked by tones and spectrally rotated tones were compared in Experiment 4, to investigate the role of harmony. No difference in the area of MMN was found, indicating that the results found in Experiment 3 were not moderated by the harmonic structure of the vowels. All results are discussed in the context of the domain and cue specific models of speech perception.
This thesis is devoted to the computational aspects of intersection theory and enumerative geometry. The first results are a Sage package Schubert3 and a Singular library schubert.lib which both provide the key functionality necessary for computations in intersection theory and enumerative geometry. In particular, we describe an alternative method for computations in Schubert calculus via equivariant intersection theory. More concretely, we propose an explicit formula for computing the degree of Fano schemes of linear subspaces on hypersurfaces. As a special case, we also obtain an explicit formula for computing the number of linear subspaces on a general hypersurface when this number is finite. This leads to a much better performance than classical Schubert calculus.
Another result of this thesis is related to the computation of Gromov-Witten invariants. The most powerful method for computing Gromov-Witten invariants is the localization of moduli spaces of stable maps. This method was introduced by Kontsevich in 1995. It allows us to compute Gromov-Witten invariants via Bott's formula. As an insightful application, we computed the numbers of rational curves on general complete intersection Calabi-Yau threefolds in projective spaces up to degree six. The results are all in agreement with predictions made from mirror symmetry.
Anorganisch-organische Hybridmaterialien basierend auf photolumineszierenden Sol-Gel-Vorstufen
(2014)
In den vergangenen Jahrzehnten haben sich periodisch strukturierte Organosilika (PMO) und metallorganische Netzwerke (MOFs) mit poröser Struktur als äußerst vielseitige Materialien mit interessanten physikalischen und chemischen Eigenschaften erwiesen. Neben ihrer Anwendung in der Katalyse und der Gasadsorption wurden verschiedene Hybridmaterialien in jüngerer Vergangenheit auch hinsichtlich Photoumineszenz, Energiekonversion und Halbleitereigenschaften untersucht. Die Bandbreite möglicher Applikationen reicht dabei von Sensoren über Beschichtungen und dekorative Keramiken bis hin zu elektronischen Bauteilen, wie etwa Transistoren (OFETs) und optischen Fasern (POFs). In der vorliegenden Arbeit werden auf Grundlage der bisher bekannten Forschung neue Ansätze zur Darstellung anorganisch-organischer Hybridmaterialien, insbesondere mikro- und mesoporöser Organosilika, vorgestellt. Ausgangspunkt für neuartige PMO und andere organisch modifizierte mesoporöse Silika vom MCM41- oder SBA-15-Typ ist die Synthese der hier erstmals präsenterten Organosilane, welche je nach Verwendungszweck über eine oder mehrere hydrolysierbare Trialkokysilylfunktionen verfügen. Während Alkylsiloxane mit Pyren, Acridon oder Dithien-2-ylphenothiazin als fluoreszierender Endgruppe über „klassische“ organische Synthesewege, wie z. B. die Knüpfung von Amid- und Sulfonamidfunktionen dargestellt werden, lassen sich komplex funktionalisierte Arylsiloxane nicht über die sonst übliche Grignard-Reaktion erhalten. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine dreistufige Reaktionssequenz vorgestellt, mit deren Hilfe stark fluoreszierende, arylenverbrückte Trimethoysilylthiophene in sehr guten bis quantitativen Ausbeuten zugänglich sind. Den ersten Schritt bei der Darstellung der Zielmoleküle bildet die sehr schnelle und effiziente Suzuki- Myaura-Kupplung der Aryliodide oder -bromide mit Thiophen-2-boronsäure in basischen Alkohol/Wasser-Gemischen. Dieser C-C-Verknüpfung folgt die Wohl-Ziegler-Halogenierung der Thienylreste in der C-H-aziden 5-Position mittels N-Brom- oder N-Iodsuccinimid. Die abschließende, Pd(0)-vermittelte Bildung von C-Si-Bindungen, welche bei Einsatz eines Buchwald-Hartwig-Liganden sehr selektiv das gewünschte Arylsiloxan liefert, ermöglicht letztlich die problemlose Aufarbeitung der hydrolyseempfindlichen Produkte. Sowohl bei Verwendung der pyrenhaltigen Organosilane als auch mit den thiophenhaltigen Vorstufen lassen sich in templat-gesteuerten Sol-Gel-Ansätzen keine mesoporösen Materialien erhalten. Ursache dafür ist in den meisten Fällen vermutlich die Aggregationsneigung der recht großen aromatischen Chromophore und ihre damit verbundene schlechte Wasserlöslichkeit. Im Falle der thiophensubstituierten Arene wurde zudem im alkalischen Medium die von Inagaki et al. vorhergesagte Protodesilylierung des Chromophors zum reduzierten Aromaten gefunden. Durch Umesterung der Thienylsiloxane in Triethylenglykol-Monomethylether (TGM) lassen sich jedoch mit Wasser sehr gut mischbare Stammlösungen der Chromophore erzeugen. Mit Hilfe dieser Lösungen sind in niedriger Verdünnung zwar ebenfalls keine geordneten Organosilika zugänglich, allerdings wurden in einer Eintopfreaktion unter Säurekatalyse transparente Xerogele dargestellt, die selbst bei minimalen Farbstoffkonzentrationen von ca. 6 • 10E-6 mol/g intensiv lumineszieren und spezifische BET-Oberflächen von bis zu 360 m2/g besitzen. Die Analyse der CIE-Farbkoordinaten der resultierenden Fluorogele wurde mit Hilfe ihrer Festkörper Fluoreszenzspektren durchgeführt und offenbart, dass die Darstellung nahezu „ideal“ weiß emittierender Organosilika durch Mischung verschieden emittierender Chromophore realisiert werden kann. Ein umgeestertes, silyliertes Derivat des 5,8-Dithien-2-yl-quinoxalins erweist sich zudem als eigenständig weiß photolumineszierendes Molekül, das Licht mit einer Farbtemperatur von ca. 5.500 K nahe der Schwarzkörper-Kurve emittiert. Die hierin vorgestellten amorphen Fluorogele sind insbesondere im Hinblick auf eine „Verglasung“ von Farbstoffen für Beleuchtungsanwendungen von Interesse. Im Gegensatz zu den geschilderten Versuchen zur Darstellung neuartiger PMOs verliefen sowohl die basenkatalysierte Darstellung eines Acridon-haltigen MCM-41-Derivates als auch die NH4F-abhängige Synthese eines phenothiazinhaltigen SBA-15-Analogons bei stark saurem pH erfolgreich. Beide Materialien weisen sowohl hohe spezifische BET-Oberflächen als auch eine geordnete, hexagonale Porenstruktur auf und wurden unter anderem mit Hilfe von Röntgen-Pulverdiffraktometrie (XRD), N2-Physisorptionsmessungen (BET) und Festkörper Kernresonanzspektroskopie (MAS-NMR) charakterisiert. Mit Hilfe unterschiedlicher Additive können die Absorptions- sowie die Fluoreszenzeigenschaften dieser Festkörper reversibel oder irreversibel modifiziert werden. So lässt sich die intensive bläuliche Fluoreszenz des immobilisierten Acridonchromophors durch Komplexbildung der Carbonylfunktion mit stark lewis-aziden Metallsalzen wie Sc(III)- oder Bi(III)triflat bathochrom um Δλ = 20 nm ins Grünliche verschieben. Das phenothiazinhaltige Organokieselgel, in dessen Poren sowohl die Chromophore als auch organische Ammoniumspezies kovalent verankert sind, wird durch Behandlung NOBF4 quasi-reversibel oxidiert, wobei sich paramagnetische, stark farbige Radikalkationen innerhalb des Festkörpers ausbilden. Sowohl die Oxidation als auch die Rereduktion des Materials mit Hilfe von Ascorbinsäure wurden mittels Elektronenspinresonanz- (ESR), Infrarot- (ATR-IR) und Fluoreszenzspektroskopie verfolgt. Aus der Charakterisierung der organischen Chromophore sowie der darauf basierenden Hybridmaterialien ergeben sich Anknüpfungspunkte zu weiteren Verbindungsklassen und deren möglichen Anwendungen. Die zuvor beschriebenen Thienylhalogenide können mit Hilfe einer Heck-Carboalkoxylierung in die entsprechenden n-Alkylester überführt werden. Die Synthese der sich daraus ableitenden MOF-Linker sowie stark fluoreszierender Phosphonate für die Beschichtung von keramischen Oberflächen wurde in einem Kooperationsprojekt mit Frau Dr. E. Keceli bearbeitet und wird im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls beschrieben. Gleiches gilt für die Erforschung der Bandlücken verschiedener thienylierter Phenothiazine, welche als Modellverbindungen für die Entwicklung farbstoffhaltiger organischer UV-Solarzellen (UV-DSCs) dienen könnten. Die hierfür notwendigen Experimente sind Gegenstand einer laufenden Kooperation mit der AG Ziegler (Fachbereich Physik, TU Kaiserslautern). Künftiges Ziel dieser Forschung soll es sein, unter Berücksichtigung der in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse, sowohl Polymere auf Basis p-dotierter Phenothiazine als auch weitere Hybridsilika mit erhöhtem Farbstoffgehalt und verbesserter thermischer und mechanischer Stabilität zu entwicken. Bei der Materialsynthese sollte insbesondere der Einfluss von Parametern wie Präformationszeit, pH-Wert und der Natur der eingesetzten Sol-Gel-Vorstufen näher beleuchtet werden, um ggf. zu einem systematischen Verständnis der Strukturbildung der hierin vorgestellten Organosilika zu gelangen.
Durch den Einsatz von Hohlkörpern in Stahlbetondecken können Beton, Stahl und folglich Gewicht eingespart werden. Die Materialeinsparung reduziert den Primärenergiebedarf sowie die Treibhausgasemissionen bei der Herstellung. Hierdurch stellen Hohlkörperdecken im Vergleich zu konventionellen Massivdecken eine ressourcenschonendere Bauweise dar. Infolge der deutlich reduzierten Eigenlast und einem im Verhältnis geringeren Steifigkeitsabfall können zudem Decken mit großen Spannweiten realisiert werden.
Die einzelnen Traganteile der Decken werden durch die Hohlkörper grundsätzlich nachteilig beeinflusst. Die Tragfähigkeit von Hohlkörperdecken mit abgeflachten rotationssymmetrischen Hohlkörpern wurde in der vorliegenden Dissertationsschrift im Detail analysiert. Auf Grundlage experimenteller und theoretischer Untersuchungen wurden Bemessungskonzepte für die Biegetragfähigkeit, die Querkrafttragfähigkeit, die Schubkraftübertragung in der Verbundfuge und das lokale Durchstanzen des Deckenspiegels oberhalb der Hohlkörper entwickelt. Unter Berücksichtigung der Bemessungskonzepte können die Hohlkörperdecken auf dem bauaufsichtlich geforderten Sicherheitsniveau hergestellt werden.
Für die Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetondecken ohne Querkraftbewehrung steht derzeit kein allgemein anerkanntes mechanisch begründetes Bemessungskonzept zur Verfügung. Der Einfluss der einzelnen Traganteile auf das Versagen wurde experimentell analysiert. Hierzu wurden Versuche mit verlagerter Druckzone sowie mit ausgeschalteter Rissuferverzahnung und mit ausgeschalteter Dübelwirkung durchgeführt. Der rechnerische Einfluss der einzelnen Traganteile an der Gesamttragfähigkeit konnte durch die Nachrechnung von Versuchen zu Hohlkörper- und Installationsdecken unter Verwendung eines bestehenden mechanisch begründeten Rechenmodells visualisiert und verifiziert werden. Hierdurch wird ein Beitrag zum besseren Verständnis der Querkrafttragfähigkeit geleistet.
Zum Nachweis der Tragfähigkeit bestehender Tragwerke benötigt der Tragwerksplaner charakteristische Werkstoffeigenschaften der verwendeten Baustoffe. Diese Werte können meist nicht direkt und ohne weitere Überlegungen aus älteren Normen, Richtlinien, Zulassungen oder von geprüften Bestandsunterlagen übernommen werden. Da die Neuberechnung grundsätzlich immer nach aktuellem Normenwerk zu erfolgen hat, sind die Werkstoffkennwerte gemäß der seinerzeits gültigen Normfestlegungen an die aktuellen Bezugswerte anzupassen.
Auf der Grundlage einer umfangreichen Literaturrecherche sind für die Baustoffe Beton und Betonstahl charakteristische Kenngrößen der maßgeblichen mechanischen Werkstoffeigenschaften in der vorliegenden Arbeit bestimmt worden. Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt anhand von Tabellen, welchen die charakteristischen Kennwerte für die Werkstoffgüten einzelner Zeitperioden entnommen werden können.
In Fällen, in denen keine oder nur unzureichende Informationen über ein zu bewertendes Bauwerk vorliegen, sind die charakteristischen Werkstoffkennwerte anhand von Bauwerksuntersuchungen zu bestimmen.
In der vorliegenden Arbeit werden Konzepte beschrieben, welche die zu beachtenden Besonderheiten bei der Bestimmung der charakteristischen Werkstoffeigenschaften von Beton und Betonstahl anhand von Prüfergebnissen aus Bauwerksuntersuchungen berücksichtigen. Diese Konzepte enthalten unter anderem Empfehlungen für die Festlegung von Prüfbereichen und Stichprobenumfängen sowie Hinweise für die Probenentnahme von Betonbohrkernen und Stahlbetonstäben.
Continuum Mechanical Modeling of Dry Granular Systems: From Dilute Flow to Solid-Like Behavior
(2014)
In this thesis, we develop a granular hydrodynamic model which covers the three principal regimes observed in granular systems, i.e. the dilute flow, the dense flow and the solid-like regime. We start from a kinetic model valid at low density and extend its validity to the granular solid-like behavior. Analytical and numerical results show that this model reproduces a lot of complex phenomena like for instance slow viscoplastic motion, critical states and the pressure dip in sand piles. Finally we formulate a 1D version of the full model and develop a numerical method to solve it. We present two numerical examples, a filling simulation and the flow on an inclined plane where the three regimes are included.
Die Klimaveränderung und die damit einhergehende verstärkte Fäulnisdynamik auf Trauben stellt eine Herausforderung für die nördlichen Weinbauregionen Europas dar. Daher wurde die vollautomatisch-optische Traubensortierung, eine innovative Verfahrenstechnik bei der Traubenverarbeitung, im zugrundeliegenden Projekt erstmals zur maschinellen Selektion fauler Beeren aus Hand- und Maschinenlesegut unter Praxisbedingungen in den Jahrgängen 2010 und 2011 eingesetzt. Hierzu wurden 15 Sortierversuche mit durchschnittlich zwei Tonnen Lesegut unterschiedlicher Rebsorten des Weinanbaugebietes Mosel mit unterschiedlichen Fäulnisarten und intensitäten durchgeführt, wobei Selektionsquoten bis zu 99 % erreicht wurden. Durch die Sortierung erfolgte eine Fraktionierung des Lesegutes in Saftvorlauf (aus geöffneten Beeren austretender Saft), Positivfraktion (gesunde Beeren) und Negativfraktion (faule Beeren), die im Vergleich zur unsortierten Kontrolle repräsentative Aussagen über den Fäulniseinfluss von Beeren auf die standardisiert verarbeiteten Moste und Weine lieferten.
Ziel dieser Arbeit war es, mittels vielseitiger analytischer und sensorischer Untersuchungen der einzelnen Fraktionen die vollautomatisch-optische Traubensortierung als Maßnahme zur Qualitätssicherung, -steigerung und -sicherheit der Moste und korrelierenden Weine zu bewerten. Im Rahmen der analytischen Untersuchungen wurden die Gehalte an Mykotoxinen, biogenen Aminen, Phenolen, Gluconsäure, Glycerin, organischen Säuren, Kationen, Schwefelbindungspartnern und Off-flavour-Verbindungen sowie das Mostgewicht bestimmt. Die notwendigen Methoden zur Bestimmung der Mykotoxine mittels HPLC-MS/MS sowie der phenolischen Verbindungen mittels HPLC-UV wurden entwickelt und validiert. Sensorisch wurden deskriptive sowie diskriminative Untersuchungen durchgeführt.
Die Ergebnisse der analytischen und sensorischen Untersuchungen aller Versuche zeigten, dass die Art und Entwicklung der auf Trauben auftretenden Fäulnis überwiegend zu qualitativ negativen Beeinflussungen der rebsortentypischen Weinstilistik führte. Die effiziente Selektion fäulnisbelasteter Beeren mittels vollautomatisch-optischer Traubensortierung und die hierdurch ermöglichte, individuelle Handhabung der einzelnen Sortierfraktionen tragen zur Sicherung, Steigerung und Sicherheit der Qualität von Weinen bei.
Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass diese Ergebnisse nur den Zustand zweier Jahrgänge widerspiegeln. Zukünftige Untersuchungen über mehrere Jahre sollten daher angestrebt werden, um die beobachteten Trends zu bestätigen.
In the present work, the phase transitions in different Fe/FeC systems were studied by using the molecular dynamics simulation and the Meyer-Entel interaction potential (also the Johnson potential for Fe-C interaction). Fe-bicrystal, thin film, Fe-C bulk and Fe-C nanowire systems were investigated to study the behaviour of the phase transition, where the energetics, dynamics and transformations pathways were analysed.
Schon bei seiner Entdeckung konnte eine Verbindung des Zwei-Komponenten Systems CiaRH mit der natürlichen Kompetenzentwicklung und der β-Laktamresistenz in S. pneumoniae beobachtet werden. Mutationen in der Histidinkinase CiaH bewirken eine sogenannte Hyperaktivierung dieses Systems, welche zu einem vollständigen Verlust der Kompetenz und einem Anstieg der β-Laktamresistenz führen. Der über das CiaRH System vermittelte Kompetenzphänotyp ist dabei abhängig von der Serinprotease HtrA und den csRNAs. Die Serinprotease HtrA reduziert hierbei, durch Proteolyse, die Menge des Kompetenz spezifische Peptid CSP.
In dieser Arbeit konnte nun erstmals gezeigt werden, dass die csRNAs ihre negative Wirkung auf die Kompetenz ausüben, indem sie comC post-transkriptionell reprimieren. Wahrscheinlich wird hierbei die Initiation der Transaltion inhibiert, wobei die Stabilität der mRNA zusätzlich verringert werden könnte. ComC kodiert für das CSP Vorläuferpeptid. Daher üben die csRNAs noch vor der proteolytischen Wirkung von HtrA einen negativen Effekt auf die CSP Produktion aus. Anhand von comC-Translationsfusionen in S. pneumoniae Stämmen mit und ohne csRNAs, sowie in dem Stamm mit hyperaktivem ciaH202-Allel konnte eindeutig gezeigt werden, dass die csRNAs negativ auf die comC-Translation wirken.
Mittels weiterer comC-Translationsfusionen, in Stämmen mit einzelnen csRNAs, ließ sich eine additive Wirkung der einzelnen csRNAs auf die comC-Translation nachweisen. Das bedeutet, dass eine csRNA alleine nicht in der Lage ist die Kompetenz zu reprimieren. Eine Kombination aus csRNA1, csRNA2 und csRNA3 allerdings ist sogar ohne die Anwesenheit von HtrA in der Lage, die Kompetenzentwicklung vollständig zu unterdrücken.
Der Effekt der csRNAs auf die comC-Translation hat Auswirkungen auf die sich entwickelnde Kompetenz, was anhand von β-Galaktosidasemessungen des frühen Kompetenzpromotors PcomX gezeigt wurde. Hier konnte allerdings ein stark positiver Effekt der csRNA4 und csRNA5 auf diesen Promotor beobachtet werden. Weitere Versuche zeigten, dass dieser Effekt auch auf den frühen Kompetenzpromotor PcomC, aber nicht auf den späten Kompetenzpromotor Pcib zu beobachten ist.
Hierbei scheint es sich um einen Regulationsmechanismus der csRNAs zu handeln, welcher die CSP-Produktion erhöht, ohne die Expression der Gene, die für die DNA Aufnahme und den Einbau verantwortlich sind, zu verändern. Der einerseits negative Effekt aller csRNAs auf die comC-Translation und andererseits positive Effekt der csRNA4 und csRNA5 sprechen dafür, dass die csRNAs an der Feinabstimmung der Kompetenzentwicklung beteiligt sind. Tatsächlich lassen sich Unterschiede im Zeitverlauf der Stämme mit einzelnen csRNAs erkennen. Vor allem kann ein Kompetenzpeak, wie im Wildtyp beobachtet, nicht mehr im csRNA-Deletionsstamm nachgewiesen werden.
Die csRNAs scheinen die Kompetenzentwicklung bis zu einem gewissen Grad zu reprimieren. Ist aber der Schwellenwert überschritten, wirkt ein Teil positiv und trägt somit dazu bei, dass die Kompetenzentwicklung ohne Einschränkungen abläuft.
Des Weiteren konnten, durch gezielte Mutationen in der comC mRNA, Bereiche in dieser identifiziert werden, welche für die Bindung der csRNAs an die mRNA essentiell sind. Hierzu gehört zum einen der Bereich zwischen der Shine-Dalgarno Sequenz und dem Startkodon sowie der Bereich direkt nach dem Startkodon AUG. Zum anderen gibt es Hinweise darauf, dass Mutationen, welche die Stabilität der mRNA beeinflussen könnten, die Regulation durch die csRNAs aufheben.
Anhand einer komplementären Veränderung der csRNA4 konnte der negative Effekt dieser csRNA auf die Translation der veränderten comC mRNA wieder hergestellt werden.
Die hier erbrachten Ergebnisse konnten einen weiteren kompetenzregulierenden Faktor identifizieren. Außerdem ergaben sich einige Hinweise, die dazu beitragen können, in weiteren Studien die komplexe Regulation der Kompetenzentwicklung besser zu verstehen.
Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem, ebenfalls schon bei der Entdeckung des CiaRH Systems beschriebenen, Anstieg der β-Laktamresistenz. Für diesen, durch ein hyperaktives CiaRH System vermittelten Anstieg konnte, wie schon bei der Kompetenz, ein wesentlicher Effekt der csRNAs nachgewiesen werden. Eine Deletion aller csRNAs in einem Stamm mit hyperaktivem CiaRH System bewirkt einen Zusammenbruch der Resistenz auf Wildtyp Niveau. Im Gegensatz zur Kompetenz konnte hier aber kein deutlicher Effekt der Serinprotease HtrA beobachtet werden.
Wie schon bei der Kompetenz lag das Augenmerk dieser Arbeit auf dem Effekt der einzelnen csRNAs auf den Anstieg der β-Laktamresistenz. Hier konnte eine größtenteils additive Wirkung der csRNAs nachgewiesen werden. Allerdings wurden Stämme isoliert, in welchen die β-Laktamresistenz um das 10-fache im Vergleich zu dem Stamm mit hyperaktivem CiaRH System anstieg. Hierbei handelt es sich um Stämme, die csRNA4 oder csRNA5 enthalten. Da eine starke Instabilität in diesen Stämmen zu beobachten war, ist davon auszugehen, dass es hier zu Zusatzmutationen kam, welche den Resistenzanstieg bewirken. Allerdings konnte nachgewiesen werden, dass der beobachtete Resistenzanstieg nur im Zusammenhang mit csRNA4 vermittelt wird. Falls es hier zu Zusatzmutationen im Genom kam, wäre deren vermittelter Resistenzanstieg von csRNA4 abhängig.
Da im Falle der β-Laktamresistenz die computerbasierte Zielgensuche keinen geeigneten Kandidaten erbrachte und keines der bekannten csRNA regulierten Gene die Resistenz beeinflusst, wurde hier eine globale Transkriptomanalyse zur Zielgensuche durchgeführt.
Anhand dieser globalen Transkriptomanalyse konnten zwei neue potenzielle CiaR regulierte Gene, pavB und spr0091, identifiziert werden.
Des Weiteren konnten zwei Gene, spr0264 und oxlT, identifiziert werden, deren Translation negativ durch die csRNAs reguliert wird. Hier konnte gezeigt werden, dass der UTP Metabolismus der Zelle betroffen ist. Hierrüber könnte die Menge an UDP verändert werden, welches zur Aktivierung von Vorläuferstufen der Zellwandbiosynthese benötigt wird. Ob diese beiden Transporter an dem Anstieg der Resistenz beteiligt sind, wurde bisher nicht untersucht.
Die innerhalb dieser Arbeit durchgeführten globalen Transkriptomanalysen stellen allerdings eine gute Basis zur weiteren Identifikation von möglichen potenziellen csRNA Zielgenen dar. Hierüber könnte eventuell auch das β-Laktam spezifische Zielgen identifiziert werden. Das der deutliche Effekt der csRNAs, sekundär auf ein schon bekanntes β-Laktamresistenzgen zurückzuführen ist, ist dabei durchaus denkbar.
Die in dieser Arbeit nachgewiesenen Regulationen der csRNAs bezüglich der Kompetenz- und β-Laktamresistenz konnten einen großen Beitrag zum besseren Verständnis dieser Regulations-mechanismen in S. pneumoniae leisten. Des Weiteren bilden die hier ermittelten Ergebnisse eine gute Basis für weitere Experimente.
The present work investigated three important constructs in the field of psychology: creativity, intelligence and giftedness. The major objective was to clarify some aspects about each one of these three constructs, as well as some possible correlations between them. Of special interest were: (1) the relationship between creativity and intelligence - particularly the validity of the threshold theory; (2) the development of these constructs within average and above-average intelligent children and throughout grade levels; and (3) the comparison between the development of intelligence and creativity in above-average intelligent primary school children that participated in a special program for children classified as “gifted”, called Entdeckertag (ET), against an age-class- and-IQ matched control group. The ET is a pilot program which was implemented in 2004 by the Ministry for Education, Science, Youth and Culture of the state of Rhineland-Palatinate, Germany. The central goals of this program are the early recognition of gifted children and intervention, based on the areas of German language, general science and mathematics, and also to foster the development of a child’s creativity, social ability, and more. Five hypotheses were proposed and analyzed, and reported separately within five chapters. To analyze these hypotheses, a sample of 217 children recruited from first to fourth grade, and between the ages of six and ten years, was tested for intelligence and creativity. Children performed three tests: Standard Progressive Matrices (SPM) for the assessment of classical intelligence, Test of Creative Thinking – Drawing Production (TCT-DP) for the measurement of classical creativity, and Creative Reasoning Task (CRT) for the evaluation of convergent and divergent thinking, both in open problem spaces. Participants were divided according to two general cohorts: Intervention group (N = 43), composed of children participating in the Entdeckertag program, and a non-intervention group (N = 174), composed of children from the regular primary school. For the testing of the hypotheses, children were placed into more specific groups according to the particular hypothesis that was being tested. It could be concluded that creativity and intelligence were not significantly related and the threshold theory was not confirmed. Additionally, intelligence accounted for less than 1% of the variance within creativity; moreover, scores on intelligence were unable to predict later creativity scores. The development of classical intelligence and classical creativity throughout grade levels also presented a different pattern; intelligence grew increasingly and continually, whereas creativity stagnated after the third grade. Finally, the ET program proved to be beneficial for classical intelligence after two years of attendance, but no effect was found for creativity. Overall, results indicate that organizations and institutions such as schools should not look solely to intelligence performance, especially when aiming to identify and foster gifted or creative individuals.
ABSTRACT
"Spin and orbital contribution to the magnetic moment of transition metal clusters and complexes"
The spin and orbital contributions to the magnetic moments of isolated iron \(Fe_n^+\) \((7 ≤ n ≤ 18)\), cobalt \(Co_n^+\) \((8 ≤ n ≤ 22)\) and nickel \(Ni_n^+\) \((7 ≤ n ≤ 17)\) clusters were investigated. An experimental access to both contributions is possible by the application of x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) spectroscopy. XMCD spectroscopy is based on x-ray absorption spectroscopy (XAS). It exploits the fact that for a magnetic sample the resonant absorption cross sections for negative and positive circular polarized x-rays differ for the transition from a spin orbit split ground state to the valence level. The resulting dichroic effects contain the information about the magnetism of the investigated sample. It can be extracted from the experimental spectrum via application of the so called sum rules. However, only the projections of the magnetic moments onto the quantization axis are experimentally accessible which corresponds to the magnetization of the sample.
We developed a method to apply XMCD spectroscopy to isolated clusters in the gas phase. A modified Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance (FT-ICR) mass spectrometer was used to record the XA spectra in Total Ion Yield (TIY) mode, i.e. by recording the fragmentation intensity of the clusters in dependence of x-ray energy. The clusters can be considered to be a superparamagnetic ensemble. Thus, the magnetization follows a Langevin curve. The intrinsic magnetic moments can be calculated by Langevin correction of the experimental magnetic moments because the cluster temperature and the magnetic field are known.
The spin and the orbital magnetic moments are enhanced compared to the respective bulk values for all three investigated elements. The enhancement of the orbital contribution is more pronounced, by about a factor 3 - 4 compared to the bulk, than for the spin magnetic moment. However, if compared to the atomic value, both contributions are quenched. The orbital magnetic moment only amounts to about 10 - 15 % of the atomic value while the spin retains about 80 % of its atomic value. If the magnetic moments found for the clusters are put into perspective with respect to the atomic and bulk values by means of scaling laws, it becomes evident that both contributions follow different interpolations between the atomic and bulk value. The spin follows the well-known trend
\(n^{-1/3} = 1/(cluster radius)\) (n = number of atoms per cluster, assumption of a spherical particle). This trend relates to the ratio of surface to inner atoms in spherical particle. Hence, our interpretation is that the spin magnetic moment seems to follow the surface area of the cluster. On the other hand, the orbital magnetic moment follows \(1/n = 1/(cluster volume)\).
First XA spectra recorded with circularly polarized x-rays of a Single Molecule Magnet (SMM) \([Fe_4Ln_2(N_3)_4(Htea)_4(piv_6)]\) (Ln = Gd, Tb; \(H_3tea\) = triethanolamine, Hpiv = pivalic acid) are presented.
Weit ab von Wachstumskernen, raumordnerischen Entwicklungsachsen und ökonomi-scher Wettbewerbsfähigkeit befinden sich peripherisierte Räume in Nord-Thüringen bzw. im südlichen Sachsen-Anhalt. Der dort persistente Transformationsprozess ist durch Abwanderung, mangelnde Investitionen oder überdurchschnittlich hohe Arbeits-losenzahlen gekennzeichnet. Das Dilemma besteht darin, dass die durch nicht selbst verschuldete Abkopplung, Stigmatisierung und Abhängigkeiten gekennzeichneten Kommunen nicht in der Lage sind, durch endogene Kräfte sich neu zu erfinden, was eine Regenerierung möglich machte, um letztendlich in der Wertschöpfungskette den für Investoren derzeit unattraktiven Immobilienmarkt wieder zu beleben. Diese seit mehr als 20 Jahren durchlaufenen Entwicklungspfade wirken sich auf die Siedlungskör-per aus, die in vielen Orten zu perforieren drohen. Es ist festzustellen, dass der Prozess des Niedergangs längst noch nicht abgeschlossen ist.
Soziale Infrastrukturbauten, wie ehemaligen Schulen, Kitas und Krankenhäusern, sind im besonderen Maß von diesen Entwicklungen betroffen. Insbesondere durch den selbst verstärkenden Effekt des demografischen Wandels dienen sie als stadtplanerischer For-schungsgegenstand. Dies vor dem Hintergrund einer möglichen Inwertsetzung als städ-tebauliche Innenentwicklungsstrategie (Anpassung) nach dem diese Immobilien ihre ursprüngliche Nutzung verloren haben. Die Notwendigkeit zum stadtplanerischen Handeln ergibt sich u.a. aus der nicht selten städtebaulich exponierten Lage, als seltene bauliche Zeitzeugnisse auch als Teil eines Ensemble mit kulturhistorischem Wert sowie als Merkpunkte einer gesamtstädtischen bzw. dörflichen Ordnung.
Die Arbeit identifiziert die neuen Herausforderungen, die im Umgang mit leer stehen-den sozialen Infrastrukturbauten in peripherisierten Klein- und Mittelstädten durch die Eigentümer zu bewältigen sind und reflektiert kritisch die Wirksamkeit der informellen sowie formellen planerischen Instrumente. Es werden konkrete Vorschläge gemacht, wie das Immobilienmanagement sowie die Eigentümereinbindung bei sehr stark beru-higten Wohnimmobilienmärkten zu erfolgen hat. Weiterhin werden Strategieansätze des Verwaltungshandelns empfohlen, die auf die speziellen Marktbedingungen abge-stimmt sind.
Neben diesen aus der Theorie gewonnenen Analogieschlüssen zeigen die aus dem Feldexperiment in der o.g. Untersuchungsregion durch umfangreiche Erhebungen ope-rationalisierbare Daten. Aus dieser Dichte der Informationen entstanden valide Aussa-gen, deren Reliabilität in die Entwicklung einer Standortanalysedatenbank einflossen sind. Somit konnte nicht nur die Problemlage objektiv nachgewiesen werden, sondern es gelang auch in der Exploration ein für die Kommunen handhabbares Planungs-instrument zu entwickeln, das auch anderswohin übertragbar ist.
This thesis, whose subject is located in the field of algorithmic commutative algebra and algebraic geometry, consists of three parts.
The first part is devoted to parallelization, a technique which allows us to take advantage of the computational power of modern multicore processors. First, we present parallel algorithms for the normalization of a reduced affine algebra A over a perfect field. Starting from the algorithm of Greuel, Laplagne, and Seelisch, we propose two approaches. For the local-to-global approach, we stratify the singular locus Sing(A) of A, compute the normalization locally at each stratum and finally reconstruct the normalization of A from the local results. For the second approach, we apply modular methods to both the global and the local-to-global normalization algorithm.
Second, we propose a parallel version of the algorithm of Gianni, Trager, and Zacharias for primary decomposition. For the parallelization of this algorithm, we use modular methods for the computationally hardest steps, such as for the computation of the associated prime ideals in the zero-dimensional case and for the standard bases computations. We then apply an innovative fast method to verify that the result is indeed a primary decomposition of the input ideal. This allows us to skip the verification step at each of the intermediate modular computations.
The proposed parallel algorithms are implemented in the open-source computer algebra system SINGULAR. The implementation is based on SINGULAR's new parallel framework which has been developed as part of this thesis and which is specifically designed for applications in mathematical research.
In the second part, we propose new algorithms for the computation of syzygies, based on an in-depth analysis of Schreyer's algorithm. Here, the main ideas are that we may leave out so-called "lower order terms" which do not contribute to the result of the algorithm, that we do not need to order the terms of certain module elements which occur at intermediate steps, and that some partial results can be cached and reused.
Finally, the third part deals with the algorithmic classification of singularities over the real numbers. First, we present a real version of the Splitting Lemma and, based on the classification theorems of Arnold, algorithms for the classification of the simple real singularities. In addition to the algorithms, we also provide insights into how real and complex singularities are related geometrically. Second, we explicitly describe the structure of the equivalence classes of the unimodal real singularities of corank 2. We prove that the equivalences are given by automorphisms of a certain shape. Based on this theorem, we explain in detail how the structure of the equivalence classes can be computed using SINGULAR and present the results in concise form. The probably most surprising outcome is that the real singularity type \(J_{10}^-\) is actually redundant.
Researchers and analysts in modern industrial and academic environments are faced with a daunting amount of multivariate data. While there has been significant development in the areas of data mining and knowledge
discovery, there is still the need for improved visualizations and generic solutions. The state-of-the-art in visual analytics and exploratory data visualization is to incorporate more profound analysis methods while focusing on improving interactive abilities, in order to support data analysts in gaining new insights through visual exploration and hypothesis building.
In the research field of exploratory data visualization, this thesis contributes new approaches in dimension reduction that tackle a number of shortcomings in state-of-the-art methods, such as interpretability and ambiguity. By combining methods from several disciplines, we describe how ambiguity can be countered effectively by visualizing coordinate values within a lower-dimensional embedding, thereby focusing on the display of the structural composition of high-dimensional data and on an intuitive depiction of inherent global relationships. We also describe how properties and alignment of high-dimensional manifolds can be analyzed in different levels of detail by means of a self-embedding hierarchy of local projections, each using full degree of freedom, while keeping the global context.
To the application field of air quality research, the thesis provides novel means for the research of aerosol source contributions. Triggered by this particularly challenging application problem, we instigate a new research direction in the area of visual analytics by describing a methodology to model-based visual analysis that (i) allows the scientist to be “in the loop” of computations and (ii) enables him to verify and control the analysis process, in order to steer computations towards physical meaning. Careful reflection of our work in this application has led us to derive key design choices that underlie and transcend beyond application-specific solutions. As a result, we describe a general design methodology to computing parameters of a pre-defined analytical model that map to multivariate data. Core applications areas that can benefit from our approach are within engineering disciplines, such as civil, chemical, electrical, and mechanical engineering, as well as in geology, physics, and biology.
The heart is reported to show a net consumption of lactate. This may contribute up to 15% to the total body lactate disposal. In this work, the consumption of lactate was shown for the first
time on the single cell level with the new FRET-based lactate sensor Laconic.
Research published until today, almost exclusively reports the monocarboxylate transporter 1
(MCT1) as the transporter responsible for myocardial lactate uptake. As this membrane
transporter transports lactate together with H+ in a stoichiometry of 1:1, lactate transport is
coupled to pH regulation. Consequently, interactions of MCT1 and acid/base regulating proteins
(carbonic anhydrases (CAs and sodium bicarbonate co-transporters (NBCs)) are described in
the oocyte expression system, skeletal muscle and cancer cells.
In this work it is shown that activity of extracellular CA increases lactate uptake into mouse
cardiomyocytes by 27% and lactate induced JA/B by 42.8% to 46.2%. This effect is most likely
mediated via NBC/CA interaction because inhibition of extracellular CA reduces HCO3--
dependent acid extruding JA/B by 53.3% to 78.4%. This may link lactate uptake to cellular
respiration. When lactate was applied in medium gassed with 100% N2, lactate induced
acidification was 12.6% faster than in medium gassed with 100% O2. Thus, CO2 produced on
the pathway transferring redox energy from substrates like glucose and lactate to ADP and
phosphate via oxidative phosphorylation, may support further lactate uptake. The findings of
this work suggest an auto regulation of lactate uptake via CO2 release in ventricular mouse
cardiomyocytes.
Mechanical ventilation of patients with severe lung injury is an important clinical treatment to ensure proper lung oxygenation and to mitigate the extent of collapsed lung regions. While current imaging technologies such as Computed Tomography (CT) and chest X-ray allow for a thorough inspection of the thorax, they are limited to static pictures and exhibit several disadvantages, including exposure to ionizing radiation and high cost. Electrical Impedance Tomography (EIT) is a novel method to determine functional processes inside the thorax such as lung ventilation and cardiac activity. EIT reconstructs the internal electrical conductivity distribution within the thorax from voltage measurements on the body surface. Conductivity changes correlate with important clinical parameters such as lung volume and perfusion. Current EIT systems and algorithms use simplified or generalized thorax models to solve the reconstruction problem, which reduce image quality and anatomical significance. In this thesis, the development of a clinically relevant workflow to compute sophisticated three-dimensional thorax models from patient-specific CT data is described. The method allows medical experts to generate a multi-material segmentation in an interactive and fast way, while a volumetric mesh is computed automatically from the segmentation. The significantly improved image quality and anatomical precision of EIT images reconstructed with these 3D models is reported, and the impact on clinical applicability is discussed. In addition, three projects concerning quantitative CT (qCT) measurements and multi-modal 3D visualization are presented, which demonstrate the importance and productivity of interdisciplinary research groups including computer scientists and medical experts. The results presented in this thesis contribute significantly to clinical research efforts to pave the way towards improved patient-specific treatments of lung injury using EIT and qCT.
Die Dissertation "Portfoliooptimierung im Binomialmodell" befasst sich mit der Frage, inwieweit
das Problem der optimalen Portfolioauswahl im Binomialmodell lösbar ist bzw. inwieweit
die Ergebnisse auf das stetige Modell übertragbar sind. Dabei werden neben dem
klassischen Modell ohne Kosten und ohne Veränderung der Marktsituation auch Modellerweiterungen
untersucht.
The study addresses the effect of multiple jet passes and other parameters namely feedrate, water pressure and standoff distance in waterjet peening of metallic
surfaces. An analysis of surface integrity was used to evaluate the performance of
different parameters in the process. An increase in the number of jet passes and
pressure leads to a higher roughness and more erosion and also a higher hardness.
In contrast, the feedrate shows a reverse effect on those surface characteristics.
There exists a specific value of standoff distance that results in the maximum surface
roughness, erosion as well as hardness. Analysis of the surface microstructure gave
a good insight into the mechanism material removal process involving initial and
evolved damage. Also, the waterjet peening process was optimized based on the
design of experiment approach. The developed empirical models had shown
reasonable correlations between the measured and predicted responses. A proper selection of waterjet peening parameters can be formulated to be used in practical
works.
This PhD-Thesis deals with the calculation and application of a new class of invariants, that can be used to recognize patterns in tensor fields (i.e. scalar fields, vector fields und matrix fields), and by the composition of scalar fields with delta-functions also to point-clouds.
In the first chapter an overview over already existing invariants is given.
In the second chapter the general definition of the new invariants is given:
starting with a tensor field a set of moment tensor is created via folding in tensor-product manner with different orders of the tensor product of the positional vector. From these, rotational invariant values are calculated via contraction of tensor products. An algorithm to get a complete and independent set of invariants from a given moment tensor set is described. Furthermore methods to make these sets of invariants invariant against translation, rotation, scaling, and affine transformation.
In the third chapter, a method to optimize the calculation of these sets of invariants is described: every invariant can be modeled as undirected graph comprising multiple sub-graphs representing partially contracted tensor products of the moment tensors.
The composition of the sets of invariants is optimized by a clever choice of the decomposition into sub-graphs, all paths creating a hyper-graph of sub-graphs where each node describes a composition step. Finally, C++-source-code is created, which optimized using the symmetry of the different tensors and tensor-products, and a comparison of the effort to other calculation methods of invariants is given.
The fourth chapter describes the application of the invariants to object recognition in point-clouds from 3D-scans. To do this, the invariants of sub-sets of point-clouds are stored for every known object. Afterwards, invariants are calculated from an unknown point-cloud and tried to find them in the database to assign it to one of the known objects. Benchmarks using three 3D-object databases are made testing time and recognition rate.
Three dimensional (3d) point data is used in industry for measurement and reverse engineering. Precise point data is usually acquired with triangulating laser scanners or high precision structured light scanners. Lower precision point data is acquired by real-time structured light devices or by stereo matching with multiple cameras. The basic principle of all these methods is the so-called triangulation of 3d coordinates from two dimensional (2d) camera images.
This dissertation contributes a method for multi-camera stereo matching that uses a system of four synchronized cameras. A GPU based stereo matching method is presented to achieve a high quality reconstruction at interactive frame rates. Good depth resolution is achieved by allowing large disparities between the images. A multi level approach on the GPU allows a fast processing of these large disparities. In reverse engineering, hand-held laser scanners are used for the scanning of complex shaped objects. The operator of the scanner can scan complex regions slower, multiple times, or from multiple angles to achieve a higher point density. Traditionally, computer aided design (CAD) geometry is reconstructed in a separate step after the scanning. Errors or missing parts in the scan prevent a successful reconstruction. The contribution of this dissertation is an on-line algorithm that allows the reconstruction during the scanning of an object. Scanned points are added to the reconstruction and improve it on-line. The operator can detect the areas in the scan where the reconstruction needs additional data.
First, the point data is thinned out using an octree based data structure. Local normals and principal curvatures are estimated for the reduced set of points. These local geometric values are used for segmentation using a region growing approach. Implicit quadrics are fitted to these segments. The canonical form of the quadrics provides the parameters of basic geometric primitives.
An improved approach uses so called accumulated means of local geometric properties to perform segmentation and primitive reconstruction in a single step. Local geometric values can be added and removed on-line to these means to get a stable estimate over a complete segment. By estimating the shape of the segment it is decided which local areas are added to a segment. An accumulated score estimates the probability for a segment to belong to a certain type of geometric primitive. A boundary around the segment is reconstructed using a growing algorithm that ensures that the boundary is closed and avoids self intersections.
Methyleugenol (ME), (\(\it E \))-Methylisoeugenol (MIE), alpha-Asaron (aA), beta-Asaron (bA) und gamma-Asaron (gA) sind natürlich vorkommende Pflanzeninhaltsstoffe aus der Klasse der Phenylpropene (PP) und Bestandteil der menschlichen Ernährung. ME, aA und bA erwiesen sich im Tierversuch als hepatokanzerogen. MIE und gA wurden bislang nicht untersucht. Die allylischen Hepatokanzerogene Estragol und Safrol werden im Verlauf des Fremdstoff-metabolismus durch Cytochrom P450-Enzyme (CYP) in 1‘-Position hydroxyliert und anschließend durch Sulfotransferasen sulfoniert. Der reaktive Schwefelsäureester kann DNA-Addukte bilden, wodurch in der Folge Mutationen und Tumoren ausgelöst werden können. Für ME wurde der gleiche Mechanismus der Aktivierung postuliert, obgleich definitive Beweise bislang fehlten. Im Gegensatz dazu war die Mehrheit der bislang untersuchten propenylischen PP nicht kanzerogen. aA und bA stellen insofern eine Ausnahme dar. Tierexperimentelle Untersuchungen legen einen alternativen Mechanismus für die Aktivierung von aA und bA nahe. Untersuchungen zum Metabolismus der Asarone liegen bisher nicht vor. Ziel der Arbeit war es daher, den hepatischen Metabolismus dieser fünf PP zu untersuchen, um Einblicke in die potentiellen gentoxischen Mechanismen zu erhalten. Die Metabolitenbildung der fünf Substanzen wurde zeit- und konzentrationsabhängig in humanen und tierischen Lebermikrosomen (LM) sowie verschiedenen humanen CYP-Enzymen (Supersomes\(^{TM}\)) untersucht. Die Metaboliten wurden charakterisiert, identifiziert und synthetisiert, um als Referenzverbindungen für die Quantifizierung sowie für weitere mechanistische in vitro Untersuchungen zu dienen. Ferner wurden enzymkinetische Parameter bestimmt, um eine Extrapolation der Metabolitenbildung hin zu kleinen Substratkonzentrationen sowie die Beteiligung humaner CYPs an der Metabolitenbildung in humanen LM zu ermöglichen. Außerdem wurde die Bildung von DNA-Addukten in primären Rattenhepatozyten nach Inkubation mit ME, MIE sowie deren Metaboliten untersucht. Für alle Verbindungen konnten die folgenden fünf enzymatischen Reaktionen identifiziert werden: Hydroxylierung der Seitenkette, Oxidation dieser Alkohole, Epoxidierung der Seitenkette und Hydrolyse zu Diolen sowie \(\it O \)-Demethylierung. Als Hauptmetaboliten von ME, MIE, aA und gA wurden die jeweiligen Seitenkettenalkohole identifiziert, während bA hauptsächlich über Epoxide zu Diolen metabolisiert wurde. Die Ergebnisse belegen, dass ME, im Gegensatz zu MIE, über den gleichen Mechanismus wie Safrol und Estragol, auch in geringen, humanrelevanten Konzentrationen aktiviert werden kann. Für aA und vor allem bA scheint eine Aktivierung über Epoxide wahrscheinlicher, während es für gA keine Hinweise auf potentiell gentoxische Metaboliten gibt.
In the theory of option pricing one is usually concerned with evaluating expectations under the risk-neutral measure in a continuous-time model.
However, very often these values cannot be calculated explicitly and numerical methods need to be applied to approximate the desired quantity. Monte Carlo simulations, numerical methods for PDEs and the lattice approach are the methods typically employed. In this thesis we consider the latter approach, with the main focus on binomial trees.
The binomial method is based on the concept of weak convergence. The discrete-time model is constructed so as to ensure convergence in distribution to the continuous process. This means that the expectations calculated in the binomial tree can be used as approximations of the option prices in the continuous model. The binomial method is easy to implement and can be adapted to options with different types of payout structures, including American options. This makes the approach very appealing. However, the problem is that in many cases, the convergence of the method is slow and highly irregular, and even a fine discretization does not guarantee accurate price approximations. Therefore, ways of improving the convergence properties are required.
We apply Edgeworth expansions to study the convergence behavior of the lattice approach. We propose a general framework, that allows to obtain asymptotic expansion for both multinomial and multidimensional trees. This information is then used to construct advanced models with superior convergence properties.
In binomial models we usually deal with triangular arrays of lattice random vectors. In this case the available results on Edgeworth expansions for lattices are not directly applicable. Therefore, we first present Edgeworth expansions, which are also valid for the binomial tree setting. We then apply these result to the one-dimensional and multidimensional Black-Scholes models. We obtain third order expansions
for general binomial and trinomial trees in the 1D setting, and construct advanced models for digital, vanilla and barrier options. Second order expansion are provided for the standard 2D binomial trees and advanced models are constructed for the two-asset digital and the two-asset correlation options. We also present advanced binomial models for a multidimensional setting.
This thesis focuses on dealing with some new aspects of continuous time portfolio optimization by using the stochastic control method.
First, we extend the Busch-Korn-Seifried model for a large investor by using the Vasicek model for the short rate, and that problem is solved explicitly for two types of intensity functions.
Next, we justify the existence of the constant proportion portfolio insurance (CPPI) strategy in a framework containing a stochastic short rate and a Markov switching parameter. The effect of Vasicek short rate on the CPPI strategy has been studied by Horsky (2012). This part of the thesis extends his research by including a Markov switching parameter, and the generalization is based on the B\"{a}uerle-Rieder investment problem. The explicit solutions are obtained for the portfolio problem without the Money Market Account as well as the portfolio problem with the Money Market Account.
Finally, we apply the method used in Busch-Korn-Seifried investment problem to explicitly solve the portfolio optimization with a stochastic benchmark.
Es wurde zuerst das intrinsische Puffersystem der Oozyte charakterisiert, als Grundlage für eine weitere Untersuchung des \(CO_2/HCO_3^{-}\)-Puffersystem. Der \(pK_s\) des intrinsischen Puffersystem betrug 6,9 bei einer totalen Konzentration von 40 mM. Auf Basis des bestimmten \(pK_s\) von 6,9 wurden Carnosin und dessen Derivate als mobile Puffer identifiziert, die die Mobilität der \(H^+\) bestimmen. Aus der apparenten Diffusionskonstanten der \(H^+\) konnte der Anteil an mobilen Puffern am gesamten intrinsischen Puffersystem bestimmt werden, er betrug 37,5% bzw. 15 mM. Intrazelluläre CA erhöhte die Effektivität (Geschwindigkeit) des \(CO_2/HCO_3^{-}\)-Puffersystems, aber nicht die Pufferkapazität im Gleichgewicht. Damit dieser Effekt quantifiziert werden kann, musste die bestehende Definition der Pufferkapazität von Koppel & Spiro aus dem Jahre 1914 um eine zeitliche Komponente erweitert werden. Dafür wurde die Nettoreaktionsgeschwindigkeit r als Maß für die Dynamik eines Puffer oder einer Mischung aus verschiedenen Puffern hergeleitet und durch die numerische Lösung eines Systems an ODEs ausgerechnet . Ohne CA befand sich das \(CO_2/HCO_3^{-}\) bei der Applikation von Butyrat nicht mehr zu jeder Zeit im Gleichgewicht \( ( r\neq 0 ) \), was zu einer erhöhten \(\Delta pH_i/\Delta t\) führte. Nicht nur die Effektivität der Pufferung wurde durch die CA erhöht, auch die apparente Mobilität der Protonen wurde in Anwesenheit von \(CO_2/{HCO_3^{-}}\) erhöht. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass \(H^+\) alle theoretisch nötigen Voraussetzungen erfüllt, die es braucht, um als Signalmolekül, ähnlich dem Calcium, fungieren zu können. So wird über die hohe Pufferung und den geringen Anteil an mobilen Puffern (37,5 % in der Oozyte) die Mobilität der \(H^+\) gesenkt, so dass sich Mikrodomänen mit aktiven Konzentrationen ausbilden können. Damit sich unter diesen Umständen eine Mikrodomäne ausbilden kann, ist ein Flux von \(0,8\cdot 10^6 H^+ /s\) nötig. Die Ausbildung von solchen Mikrodomänen kann physiologisch zur lokalen Modulation zellulärer Prozesse führen, da wichtige Bestandteile von Signalkaskaden, wie G-Proteine, pH-sensitiv sind. Die CA spielt für die Signalwirkung der \(H^+\) eine wichtige Rolle, so konnte gezeigt werden, dass CA-Aktivtät zu einer Unterscheidbarkeit von metabolischer und respiratorischer Ansäuerung führt, die ohne CA-Aktivität nicht möglich wäre.
The objective of this thesis consists in developing systematic event-triggered control designs for specified event generators, which is an important alternative to the traditional periodic sampling control. Sporadic sampling inherently arising in event-triggered control is determined by the event-triggering conditions. This feature invokes the desire of
finding new control theory as the traditional sampled-data theory in computer control.
Developing controller coupling with the applied event-triggering condition to maximize the control performance is the essence for event-triggered control design. In the design the stability of the control system needs to be ensured with the first priority. Concerning variant control aims they should be clearly incorporated in the design procedures. Considering applications in embedded control systems efficient implementation requires a low complexity of embedded software architectures. The thesis targets at offering such a design to further complete the theory of event-triggered control designs.
If an automated system is tasked to provide services such as search or clustering of information on an information repository, the quality of the output depends a lot on the information that is available to the system in machine-readable form. Simple text, for example, is machine-readable only in a very limited sense. Advanced services typically need to derive other representations of the text (e.g., sets of keywords) as input for their core algorithms. Some services might need information that cannot be derived from the resource in question alone, but is available as separate metadata only, such as usage information. Annotations can be used to carry this information.
This thesis focuses on so-called ontology-based annotations. In contrast to other forms of annotations such as Tags (arbitrary strings that users can assign to resources), ontology-based annotations conform to a predefined data structure and class hierarchy. An advantage of this approach is that rich information can be stored in a well-structured way in the annotations; a drawback is that users need to be familiar with the hierarchy and other design decisions of the underlying ontology used for annotations.
Two scenarios are considered in this thesis:
First, a document-based scenario in which text annotations are used to represent both information about the text content and usage and user context information in a multi-user setting with mostly objective annotation criteria; second, a resource-based scenario whose annotation model focuses on multi-user settings with subjective annotation criteria, using (dis-)similarities in user annotations to derive user similarity metrics, and building personalized views from this information.
Finally, the prototypical systems that have been developed throughout this thesis get evaluated, proving the concepts presented in this thesis.