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Das zinsoptimierte Schuldenmanagement hat zum Ziel, eine möglichst effiziente Abwägung zwischen den erwarteten Finanzierungskosten einerseits und den Risiken für den Staatshaushalt andererseits zu finden. Um sich diesem Spannungsfeld zu nähern, schlagen wir erstmals die Brücke zwischen den Problemstellungen des Schuldenmanagements und den Methoden der zeitkontinuierlichen, dynamischen Portfoliooptimierung.
Das Schlüsselelement ist dabei eine neue Metrik zur Messung der Finanzierungskosten, die Perpetualkosten. Diese spiegeln die durchschnittlichen zukünftigen Finanzierungskosten wider und beinhalten sowohl die bereits bekannten Zinszahlungen als auch die noch unbekannten Kosten für notwendige Anschlussfinanzierungen. Daher repräsentiert die Volatilität der Perpetualkosten auch das Risiko einer bestimmten Strategie; je langfristiger eine Finanzierung ist, desto kleiner ist die Schwankungsbreite der Perpetualkosten.
Die Perpetualkosten ergeben sich als Produkt aus dem Barwert eines Schuldenportfolios und aus der vom Portfolio unabhängigen Perpetualrate. Für die Modellierung des Barwertes greifen wir auf das aus der dynamischen Portfoliooptimierung bekannte Konzept eines selbstfinanzierenden Bondportfolios zurück, das hier auf einem mehrdimensionalen affin-linearen Zinsmodell basiert. Das Wachstum des Schuldenportfolios wird dabei durch die Einbeziehung des Primärüberschusses des Staates gebremst bzw. verhindert, indem wir diesen als externen Zufluss in das selbstfinanzierende Modell aufnehmen.
Wegen der Vielfältigkeit möglicher Finanzierungsinstrumente wählen wir nicht deren Wertanteile als Kontrollvariable, sondern kontrollieren die Sensitivitäten des Portfolios gegenüber verschiedenen Zinsbewegungen. Aus optimalen Sensitivitäten können in einem nachgelagerten Schritt dann optimale Wertanteile für verschiedenste Finanzierungsinstrumente abgeleitet werden. Beispielhaft demonstrieren wir dies mittels Rolling-Horizon-Bonds unterschiedlicher Laufzeit.
Schließlich lösen wir zwei Optimierungsprobleme mit Methoden der stochastischen Kontrolltheorie. Dabei wird stets der erwartete Nutzen der Perpetualkosten maximiert. Die Nutzenfunktionen sind jeweils an das Schuldenmanagement angepasst und zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass höhere Kosten mit einem niedrigeren Nutzen einhergehen. Im ersten Problem betrachten wir eine Potenznutzenfunktion mit konstanter relativer Risikoaversion, im zweiten wählen wir eine Nutzenfunktion, welche die Einhaltung einer vorgegebenen Schulden- bzw. Kostenobergrenze garantiert.
Der „Irrelevant Sound Effect“ besteht in einer Beeinträchtigung der seriellen Wiedergabeleistung für visuell präsentierte Folgen sprachlicher Items durch aufgabenirrelevante Hintergrundgeräusche. Unklar ist jedoch, ob der Irrelevant Sound Effect bei Kindern entwicklungsbedingten Veränderungen unterliegt und welches Arbeitsgedächtnismodell das kindliche Befundmuster am besten abzubilden vermag. Um einen Beitrag zur Klärung dieser Fragestellungen zu leisten, wurden zwei altersvergleichende Experimente zur quantitativen und qualitativen Beschaffenheit des Irrelevant Sound Effect durchgeführt. Experiment 1 prüfte, ob beim Irrelevant Sound Effect Alterseffekte zu verzeichnen sind und ob diese gegebenenfalls durch die Art des Hintergrundschalls (Changing-State- vs. Steady-State-Schall), die Modalität der Aufgabenstellung (auditiv vs. visuell) und/oder die Anforderungen der zu bearbeitenden Aufgabe (serielle Behaltensaufgabe vs. lautanalytische Odd-One-Out-Aufgabe) moderiert werden. Experiment 2 untersuchte etwaige Alterseffekte hinsichtlich des Einflusses der Lautstärke und/oder der Verständlichkeit des Hintergrundschalls. Hervorzuheben ist, dass erstmals Vorschüler berücksichtigt wurden, womit in beiden Studien ein breiter Altersbereich vom Vorschul- bis zum Erwachsenenalter abgedeckt wird.
Wesentliche Erkenntnis ist, dass der Irrelevant Sound Effect entwicklungsbedingten Veränderungen unterliegt, welche zeitlich im Vorschulalter anzusiedeln sind. Vorschüler werden deutlich stärker und umfassender durch Hintergrundschall beeinträchtigt als die übrigen Altersgruppen, die diesbezüglich nicht differieren. Die Effekte irrelevanten Hintergrundschalls scheinen bei Kindern demnach auf zwei qualitativ unterschiedlichen Wirkmechanismen zu fußen: Zunächst erhält irrelevanter Hintergrundschall – entwicklungsunabhängig – obligatorischen, automatischen Zugang zum Arbeitsgedächtnis, wodurch eine Interferenz mit den zu memorierenden Items auftritt. Darüber hinaus ist bei Vorschülern ein zusätzlicher, globalerer, dem Arbeitsgedächtnis vorgelagerter Mechanismus anzunehmen (z.B. gestörte Encodierung der Zielitems) – der Ansatz einer vermehrten Aufmerksamkeitsdistraktion kann stattdessen nicht gestützt werden.
Diese Experimente haben zudem ein Resultat erbracht, dessen nähere Analyse unabhängig vom Entwicklungsaspekt einen wertvollen Beitrag zum modelltheoretischen Diskurs verspricht: Ein irrelevantes Hintergrundsprechen bewirkte nicht nur bei der seriellen Behaltensaufgabe, sondern auch bei einer lautanalytischen Aufgabe eine signifikante Leistungsverschlechterung. Da die gängigen Arbeitsgedächtnismodelle zur Erklärung des Irrelevant Sound Effect hinsichtlich ihrer Annahmen potentiell lärmsensitiver Aufgaben differieren, wurde eine zweite, auf Erwachsene beschränkte Experimentalserie angeschlossen, deren Ergebnisse wie folgt zusammengefasst werden können: Die Leistungsminderung in der lautanalytischen Aufgabe ist vermutlich auf die phonologische Anforderung per se zurückzuführen, da der Effekt aufgehoben wird, wenn anstelle der phonologischen Analyse eine semantische gefordert wird (Experiment 3). Der phonologische Charakter ist jedoch nicht nur bei der Aufgabenstellung eine kritische Größe, sondern auch beim Hintergrundschall: Während Hintergrundsprechen einen Irrelevant Sound Effect provoziert, vermag Nichtsprache vergleichbarer Komplexität (spektral rotierte Sprache) dies nicht zu leisten (Experiment 5). Dies ist als Indiz dafür zu werten, dass über den temporal-spektralen Verlauf hinausgehende Parameter existieren müssen, die den Irrelevant Sound Effect modellieren. Die phonologische Ähnlichkeit zwischen den Stimuli der Primäraufgabe und der Distraktoren (Between-Stream Phonological Similarity Effect) scheint hingegen keinen Einfluss zu nehmen (Experiment 4). Zusammenfassend bevorzugt das Befundmuster Modelle, die zur Erklärung des Phänomens auf modalitätsspezifische Interferenzen mit phonologischen Repräsentationen im Arbeitsgedächtnis rekurrieren.
Methyleugenol ist ein sekundärer Pflanzeninhaltsstoff, der in verschiedenen Kräutern und
Gewürzen vorkommt. In Form von natürlichen ätherischen Ölen findet Methyleugenol als
Aromastoff in Lebensmitteln und als Duftstoff in Kosmetika Verwendung. Methyleugenol
wurde als natürliches gentoxisches Kanzerogen eingestuft. Ein Fokus der vorliegenden
Dissertation lag auf wirkmechanistischen Untersuchungen zur Gentoxizität von
Methyleugenol und ausgewählten oxidativen Phase-I-Metaboliten. So wurden direkt
gentoxische Wirkmechanismen, wie die Induktion von DNA-Strangbrüchen oder Mikrokernen
in der humanen Kolonkarzinomzelllinie HT29 detektiert. Auf Grund der fehlenden in vitro
Mutagenität der Verbindungen sollten weitere Wirkmechanismen zum DNA-strangbrechenden
Potential sowie potentielle Effekte auf DNA-Reparaturprozesse charakterisiert werden.
Die Metaboliten Methyleugenol-2',3'-epoxid und 3'-Oxomethylisoeugenol hemmen die HDAC- und Topoisomerase-I-Aktivität und tragen somit möglicherweise zum DNA-strangbrechenden
Potential der Metaboliten bei. 3'-Oxomethylisoeugenol wurde dabei als
katalytischer Hemmstoff humaner Topoisomerase I identifiziert, welcher signifikant die DNA-strangbrechende
Wirkung und die Enzym/DNA-stabilisierenden Effekte des Topoisomerase-I-Giftes Camptothecin hemmt. In Folge der Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen durch
die Testsubstanzen wird die DNA-Reparatur-assoziierte ATM/ATR-Signalkaskade und das
nachgeschaltete Tumorsuppressorprotein p53 aktiviert. Diese Ergebnisse weisen darauf hin,
dass die zelluläre DNA-Schadensantwort in Verbindung mit DNA-Reparaturmechanismen
oder einer Apoptoseinduktion dazu beitragen, dass die initialen gentoxischen Wirkungen der
Substanzen zu keiner direkten Mutagenität in vitro führen. Insgesamt konnte die Arbeit
zeigen, dass reaktive oxidative Metaboliten von Methyleugenol eine Vielzahl zellulärer
Zielstrukturen beeinflussen und eine potentielle in vitro Gentoxizität aufweisen, weshalb sie
in ihrer Gesamtheit in der Risikobewertung der Ausganssubstanz berücksichtigt werden
sollten.
Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Untersuchung der posttranslationalen
Histondeacetylase (HDAC)-Modifikation durch Polyphenole. Es wurde gezeigt, dass
Polyphenole die Expression des Regulatorproteins SUMO E1 beeinflussen. Des Weiteren
hemmen die Polyphenole (-)-Epigallocatechin-3-gallat und Genistein die HDAC-Aktivität und
vermindern den HDAC 1 Proteinstatus in HT29-Kolonkarzinomzellen. HDAC gehört zu den
SUMO-Substratproteinen. Im Rahmen der Arbeit wurde erstmals eine Modulation der posttranslationalen
HDAC 1-Sumoylierung nach Inkubation mit den Polyphenolen nachgewiesen,
welche im direkten Zusammenhang mit der HDAC-Aktivitätshemmung stehen könnte. EGCG
und Genistein beeinflussen somit epigenetische Signalwege in Tumorzellen. Inwieweit eine
Beeinflussung der DNA-Integrität durch HDAC-Hemmstoffe ein Risiko für primäre Zellen
darstellt, muss in weiterführenden Studien noch geklärt werden.
Elastische Klebverbindungen werden heute in der Praxis immer häufiger lastabtragend eingesetzt. Daher steigt auch die Nachfrage nach zuverlässigen Berechnungsmethoden und Beurteilungskriterien für diese Klebstoffe. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand von geeigneten Prüfmethoden, Werkstoffkennwerte für Werkstoffgesetze, die für FE-Berechnungen geeignet sind, zu bestimmen und diese zu überprüfen. Außerdem soll der Grenzzustand der Beanspruchbarkeit untersucht werden um einerseits bewerten zu können, bis zu welchem Beanspruchungszustand die verwendeten Werkstoffgesetze einsetzbar sind und andererseits um die Grenzbelastungen für diese Klebstoffe beurteilen zu können. In dieser Arbeit wurden zwei elastische Klebstoffe untersucht, einer auf Silikon und einer auf Polyurethanbasis. Die Ermittlung der Werkstoffkennwerte erfolgt an Normproben, die den Vorteil einer weiten Verbreitung und Reproduzierbarkeit bieten. Das Werkstoffverhalten wurde unter Zug-, Schub- und Druckbelastung untersucht. Dabei wurde die Belastungsgeschwindigkeit in allen Belastungsarten so gewählt, dass der Energieeintrag pro Volumen und Zeiteinheit für alle Belastungsarten gleich ist. Dies bietet den Vorteil, dass für alle Belastungsarten der gleiche energetische Zustand des Klebstoffes untersucht wird. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für die Bestimmung der Werkstoffkonstanten für Green’sche Werkstoffgesetzte. Diese haben sich für die Berechnung von elastomeren Werkstoffen bewährt. Die Kennwerte für diese Werkstoffgesetze wurden durch Methoden der Ausgleichsrechnung (Methode der kleinsten Quadrate) iterativ so bestimmt. Die Überprüfung der Kennwerte erfolgt anhand von Kopfzugproben. Diese geklebten Proben mit mehrachsigen Spannungszuständen zeigen eine Vielzahl von in der Praxis relevanten Spannungszuständen und damit besonders für die Überprüfung der Werkstoffgesetze geeignet. Der Vergleich zwischen Simulation und Experiment zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Anhand dieser Probengeometrie werden auch der Grenzzustand der Beanspruchung und die hierfür maßgeblichen mechanischen Größen untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass die Formänderungsenergiedichte als Bewertungsgröße für den Grenzzustand und das Eintreten von Schädigungen im Werkstoff geeignet ist.
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 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.
Das Konzept des Fairen Handels fußt auf der Umsetzung der Ziele ökonomischer, ökologischer und sozialer Nachhaltigkeit. In dieser Arbeit sollte, komplementär zur bisherigen Forschung und Literatur, mit Methoden der Verhaltensökonomik analysiert werden, inwieweit Verteilungspräferenzen hinsichtlich des Einkommens den Kauf von fair gehandelten Produkten beeinflussen.
Monte Carlo simulation is one of the commonly used methods for risk estimation on financial markets, especially for option portfolios, where any analytical approximation is usually too inaccurate. However, the usually high computational effort for complex portfolios with a large number of underlying assets motivates the application of variance reduction procedures. Variance reduction for estimating the probability of high portfolio losses has been extensively studied by Glasserman et al. A great variance reduction is achieved by applying an exponential twisting importance sampling algorithm together with stratification. The popular and much faster Delta-Gamma approximation replaces the portfolio loss function in order to guide the choice of the importance sampling density and it plays the role of the stratification variable. The main disadvantage of the proposed algorithm is that it is derived only in the case of Gaussian and some heavy-tailed changes in risk factors.
Hence, our main goal is to keep the main advantage of the Monte Carlo simulation, namely its ability to perform a simulation under alternative assumptions on the distribution of the changes in risk factors, also in the variance reduction algorithms. Step by step, we construct new variance reduction techniques for estimating the probability of high portfolio losses. They are based on the idea of the Cross-Entropy importance sampling procedure. More precisely, the importance sampling density is chosen as the closest one to the optimal importance sampling density (zero variance estimator) out of some parametric family of densities with respect to Kullback - Leibler cross-entropy. Our algorithms are based on the special choices of the parametric family and can now use any approximation of the portfolio loss function. A special stratification is developed, so that any approximation of the portfolio loss function under any assumption of the distribution of the risk factors can be used. The constructed algorithms can easily be applied for any distribution of risk factors, no matter if light- or heavy-tailed. The numerical study exhibits a greater variance reduction than of the algorithm from Glasserman et al. The use of a better approximation may improve the performance of our algorithms significantly, as it is shown in the numerical study.
The literature on the estimation of the popular market risk measures, namely VaR and CVaR, often refers to the algorithms for estimating the probability of high portfolio losses, describing the corresponding transition process only briefly. Hence, we give a consecutive discussion of this problem. Results necessary to construct confidence intervals for both measures under the mentioned variance reduction procedures are also given.
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.
As the complexity of embedded systems continuously rises, their development becomes more and more challenging. One technique to cope with this complexity is the employment of virtual prototypes. The virtual prototypes are intended to represent the embedded system’s properties on different levels of detail like register transfer level or transaction level. Virtual prototypes can be used for different tasks throughout the development process. They can act as executable specification, can be used for architecture exploration, can ease system integration, and allow for pre- and post-silicon software development and verification. The optimization objectives for virtual prototypes and their creation process are manifold. Finding an appropriate trade-off between the simulation accuracy, the simulation performance, and the implementation effort is a major challenge, as these requirements are contradictory.
In this work, two new and complementary techniques for the efficient creation of accurate and high-performance SystemC based virtual prototypes are proposed: Advanced Temporal Decoupling (ATD) and Transparent Transaction Level Modeling (TTLM). The suitability for industrial environments is assured by the employment of common standards like SystemC TLM-2.0 and IP-XACT.
Advanced Temporal Decoupling enhances the simulation accuracy while retaining high simulation performance by allowing for cycle accurate simulation in the context of SystemC TLM-2.0 temporal decoupling. This is achieved by exploiting the local time warp arising in SystemC TLM-2.0 temporal decoupled models to support the computation of resource contention effects. In ATD, accesses to shared resource are managed by Temporal Decoupled Semaphores (TDSems) which are integrated into the modeled shared resources. The set of TDSems assures the correct execution order of shared resource accesses and incorporates timing effects resulting from shared resource access execution and resource conflicts. This is done by dynamically varying the data granularity of resource accesses based on information gathered from the local time warp. ATD facilitates modeling of a wide range of resource and resource access properties like preemptable and non-preemptable accesses, synchronous and asynchronous accesses, multiport resources, dynamic access priorities, interacting and cascaded resources, and user specified schedulers prioritizing simultaneous resource accesses.
Transparent Transaction Level Modeling focuses on the efficient creation of virtual prototypes by reducing the implementation effort and consists of a library and a code generator. The TTLM library adds a layer of convenience functions to ATD comprising various application programming interfaces for inter module communication, virtual prototype configuration and run time information extraction. The TTLM generator is used to automatically generate the structural code of the virtual prototype from the formal hardware specification language IP-XACT.
The applicability and benefits of the presented techniques are demonstrated using an image processing centric automotive application. Compared to an existing cycle accurate SystemC model, the implementation effort can be reduced by approximately 50% using TTLM. Applying ATD, the simulation performance can be increased by a factor of up to five while retaining cycle accuracy.
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.
The work presented in this thesis discusses the thermal and power management of multi-core processors (MCPs) with both two dimensional (2D) package and there dimensional (3D) package chips. The power and thermal management/balancing is of increasing concern and is a technological challenge to the MCP development and will be a main performance bottleneck for the development of MCPs. This thesis develops optimal thermal and power management policies for MCPs. The system thermal behavior for both 2D package and 3D package chips is analyzed and mathematical models are developed. Thereafter, the optimal thermal and power management methods are introduced.
Nowadays, the chips are generally packed in 2D technique, which means that there is only one layer of dies in the chip. The chip thermal behavior can be described by a 3D heat conduction partial differential equation (PDE). As the target is to balance the thermal behavior and power consumption among the cores, a group of one dimensional (1D) PDEs, which is derived from the developed 3D PDE heat conduction equation, is proposed to describe the thermal behavior of each core. Therefore, the thermal behavior of the MCP is described by a group of 1D PDEs. An optimal controller is designed to manage the power consumption and balance the temperature among the cores based on the proposed 1D model.
3D package is an advanced package technology, which contains at least 2 layers of dies stacked in one chip. Different from 2D package, the cooling system should be installed among the layers to reduce the internal temperature of the chip. In this thesis, the micro-channel liquid cooling system is considered, and the heat transfer character of the micro-channel is analyzed and modeled as an ordinary differential equation (ODE). The dies are discretized to blocks based on the chip layout with each block modeled as a thermal resistance and capacitance (R-C) circuit. Thereafter, the micro-channels are discretized. The thermal behavior of the whole system is modeled as an ODE system. The micro-channel liquid velocity is set according to the workload and the temperature of the dies. Under each velocity, the system can be described as a linear ODE model system and the whole system is a switched linear system. An H-infinity observer is designed to estimate the states. The model predictive control (MPC) method is employed to design the thermal and power management/balancing controller for each submodel.
The models and controllers developed in this thesis are verified by simulation experiments via MATLAB. The IBM cell 8 cores processor and water micro-channel cooling system developed by IBM Research in collaboration with EPFL and ETHZ are employed as the experiment objects.
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.
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.
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.
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.
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).
When stimulus and response overlap in a choice-reaction task, enhanced performance can be observed. This effect, the so-called Stimulus-Response Compatibility (SRC) has been shown to appear for a variety of different stimulus features such as numerical or physical size, luminance, or pitch height. While many of these SRC effects have been investigated in an isolated manner, only fewer studies focus on possible interferences when more than one stimulus dimension is varied. The present thesis investigated how the SRC effect of pitch heights, the so-called SPARC effect (Spatial Pitch Associations of Response Codes), is influenced by additionally varied stimulus information. In Study 1, the pitch heights of presented tones were varied along with timbre categories under two different task and pitch range conditions and with two different response alignments. Similarly, in Study 2, pitch heights as well as numerical values were varied within sung numbers under two different task conditions. The results showed simultaneous SRC effects appearing independently of each other in both studies: In Study 1, an expected SRC effect of pitch heights with horizontal responses (i.e., a horizontal SPARC effect) was observed. More interestingly, an additional and unexpected SRC effect of timbre with response sides presented itself independently of this SPARC effect. Similar results were obtained in Study 2: Here, an SRC effect for pitch heights (SPARC) and an SRC effect for numbers (i.e., SNARC or Spatial Numerical Associations of Response Codes, respectively) were observed and again the effects did not interfere with each other. Thus, results indicate that SPARC with horizontal responses does not interfere with SRC effects of other, simultaneously varied stimulus dimensions. These findings are discussed within the principle of polarity correspondence and the dimensional overlap model as theoretical accounts for SRC effects. In sum, it appears that the different types of information according to varied stimulus dimensions enter the decision stage of stimulus processing from separate channels.
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.
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.