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Bericht des Graduiertenkollegs (GRK 2032) Grenzzonen in urbanen Wassersystemen
No full textWater quality and quantity in urban areas face multiple threats such as climate change, ongoing urbanisation and diverse contaminations. Berlin has served as an ideal ‘natural laboratory’ for our water research, as its water system is highly stressed, for example, by small river discharges, a high use of bank filtration, partially closed water cycles as well as strong interactions of compartments, natural and technical systems. Urban water interfaces (UWI) play a key role in the urban water cycle linking these compartments and systems and thus markedly affect the overall system behaviour. As there were considerable gaps in related research and qualification, the Research Training Group UWI set up a unique close collaboration of principal investigators (PI) affiliated with the Technische Universität Berlin and the Leibniz Institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries, together with strong partners such as the Berliner Wasserbetriebe (BWB). The educational goal for the doctoral researchers from engineering and natural sciences was a new quality of interdisciplinary knowledge with a strong international orientation within a structured framework. We have established four Common Topics to enhance the collaboration among doctoral researchers and PIs: Interfaces in Urban Watersheds, in Urban Freshwater Ecosystems, in Urban Hyporheic Zones and in Sewer Systems. From the qualification programme, we would like to highlight: three newly developed Core Courses which ensured that all doctoral researchers received a common educational foundation across the different disciplines, the Common Topics mentioned above, and the Student Research Council established by the doctoral researchers to foster collaboration within their group by various self-organised activities. Scientific progress was based on: (i) advancing our understanding of interfacial processes and their quantitative impact on the urban water cycle, (ii) predicting impacts of future changes and (iii) detecting vulnerable conditions for adaptation, resilience and improved management. We established innovative links between empirical methods, experiments (lab, field) and modelling (conceptual, numerical, machine learning) to describe the relevant processes on different scales in space and time and across scales. Many of the results could only be achieved through the close collaboration between engineers and natural scientists resulting in a ‘new normal’ in interdisciplinary thinking. UWI became a nucleus to which other projects connected. Overall, 19 doctoral researchers (funded by UWI) and 8 kollegiates (funded by other sources) completed their doctoral theses; we expect another 11 and 2 to finish in the future; 137 peer-reviewed papers and 266 other publications have been published. All of the UWI graduates have secured challenging positions in academia, water engineering practice or administration. It is particularly remarkable that five UWI graduates have already obtained professorships.Die Wasserqualität und –quantität wird in urbanen Gebieten durch Klimawandel, fortschreitende Urbanisierung und vielfältige Kontaminationen belastet. Berlin war ein ideales Reallabor für unsere Forschung, weil das Gewässersystem hoch belastet ist, u.a. wegen geringer Abflüsse, einer intensiven Nutzung von Uferfiltration, teilgeschlossenen Wasserkreisläufen sowie starken Wechselwirkungen von Gewässerkompartimenten, natürlichen und technischen Systemen. Grenzzonen in urbanen Wassersystemen verbinden diese Kompartimente und Systeme und beeinflussen maßgeblich das gesamte Systemverhalten. Da es in der entsprechenden Forschung und Ausbildung erhebliche Defizite gab, hat das Graduiertenkolleg UWI eine einzigartige Zusammenarbeit von Forschenden der Technischen Universität Berlin und des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei, unterstützt durch Partner wie den Berliner Wasserbetrieben, etabliert. Übergeordnetes Ziel der Ausbildung war eine neue Qualität von interdisziplinärem Wissen mit einer starken internationalen Orientierung in einem strukturierten Rahmen. Um die Zusammenarbeit zu intensivieren, haben wir vier übergreifende Themengebiete definiert: Grenzzonen in urbanen Einzugsgebieten, in urbanen aquatischen Ökosystemen, in urbanen hyporheischen Zonen und in Kanalnetzsystemen. Besonders herausstellen wollen wir drei neu entwickelte Kurse für ein interdisziplinäres Grundlagenverständnis, die o.g. übergreifenden Themengebiete und eine selbstorganisierte Doktorand*innenvertretung, die die Zusammenarbeit untereinander durch verschiedene Aktivitäten verbessert hat. Der erzielten wissenschaftlichen Fortschritte betreffen (i) die Verbesserung des Verständnisses von Grenzzonenprozessen und ihren quantitativen Auswirkungen auf den urbanen Wasserkreislauf, (ii) die Vorhersage der Auswirkungen von zukünftigen Veränderungen und (iii) das Erkennen von vulnerablen Bedingungen für Anpassungen, Resilienz und verbessertes Management. Dazu haben wir empirische Methoden, Experimente (Labor, Feld) und Modellierung (konzeptionell, numerisch, maschinelles Lernen) verknüpft, um die relevanten Prozesse auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen sowie skalenübergreifend abzubilden. Viele der Ergebnisse konnten nur durch enge Zusammenarbeit von Ingenieur*innen und Naturwissenschaftler*innen erzielt werden, was zu einem ‘neuen Normal’ im interdisziplinären Denken geführt hat. UWI hat sich zu einem Nukleus entwickelt, an den sich andere Projekte angekoppelt haben. Insgesamt haben 19 verbundfinanzierte und 8 anderweitig finanzierte Doktorand*innen ihre Promotionen abgeschlossen; wir rechnen mit weiteren 11 und 2 Abschlüssen in der Zukunft; es wurden 137 Veröffentlichungen mit Peer-Review und 266 weitere Veröffentlichungen verfasst. Alle Absolvent*innen haben anspruchsvolle Stellen im akademischen Umfeld, der Wasserpraxis oder der Verwaltung gefunden; besonders bemerkenswert ist, dass bereits fünf Absolvent*innen Professuren erhalten haben.DFG, 248198858, GRK 2032: Urban Water Interfaces (UWI
Jahrbuch für Antisemitismusforschung
No full textDas Jahrbuch für Antisemitismusforschung ist ein Forum für wissenschaftliche Beiträge zur Antisemitismus-, Vorurteils- und Minderheitenforschung und will dieses disziplinär breite Spektrum bündeln. Es ist deshalb fächerübergreifend und international vergleichend ausgerichtet. Es veröffentlicht Arbeiten zur Geschichte der Judenfeindschaft, zur nationalsozialistischen Verfolgungspolitik, zum Holocaust, zu Emigration und Exil, zum Rechtsextremismus, zu Minoritätenkonflikten und zur Theorie des Vorurteils
Investigation of liquid-solid and solid-solid phase transformations and their effect on the evolution of microstructural heterogeneities in additively manufactured alloys
No full textAdditive manufacturing (AM) produces microstructure heterogeneities across multiple length scales due to the interplay between alloy’s chemistry and complex thermal history of the process. These heterogeneities, often considered detrimental for property optimization, can instead be utilized to engineer microstructure and improve properties through careful control of solute segregation and defect interactions. In this study, the evolution of microstructural heterogeneities arising from both liquid-solid and solid-solid phase transformations in AM-processed alloys were investigated. A central focus was placed on understanding how solute segregation can be harnessed to interact with lattice defects and control microstructure evolution in a beneficial manner during post-AM heat treatments.
To this end, two alloy systems were selected. The first is a computationally designed single-phase face-centered cubic (fcc) Al10.5Co25Fe39.5Ni25 multi-principal element alloy (MPEA), in which heterogeneities predominantly originate from liquid-solid transformations intrinsic to the AM process. The second is a commercial-grade DP600-like low-alloy steel, where microstructural heterogeneity emerged from a combination of solidification and solid-state phase transformations. Both systems were subjected to two heat treatments: (i) solution annealing or full austenitization followed by aging or intercritical annealing, and (ii) direct treatments such as direct aging or intercritical annealing. The latter were specifically designed to activate AM-induced heterogeneities and exploit solute-decorated defects as nucleation sites for phase evolution. A comprehensive computational-experimental framework supported the understanding behind the alloy-specific microstructure evolution mechanisms. CALPHAD-based thermodynamic modeling and microstructure-resolved multi-phase field (MPF) simulations were employed to guide composition and process selection for the MPEA, as well as to understand segregation behavior and phase transformation pathways for both alloys. These insights were coupled with multiscale experimental characterization to assess the evolution of microstructure and mechanical properties.
This work proposes a shift in microstructure control for AM: rather than eliminating, embracing the intrinsic heterogeneities of the AM process makes it possible to transform these features into functional microstructural assets. The combination of computationally guided alloy development, microstructural modifications, and strategically designed heat treatments offers a powerful pathway for developing next generation AM alloys.Die Additive Fertigung (engl. Additive Manufacturing, AM) erzeugt in metallischen Werkstoffen mikrostrukturelle Heterogenitäten über mehrere Längenskalen hinweg, bedingt durch das Zusammenspiel zwischen Legierungzusammensetzung und der komplexen thermischen Prozessbedingungen. Diese Heterogenitäten, die häufig als nachteilig für die Bauteileigenschaften angesehen werden, können stattdessen gezielt genutzt werden, um die Mikrostruktur zu designen und die Materialeigenschaften durch kontrollierte Elementseigerung und Defektwechselwirkungen zu verbessern. In dieser Dissertation wurde die Entwicklung mikrostruktureller Heterogenitäten untersucht, die sowohl aus Flüssig-Fest- als auch aus Fest-Fest-Phasenumwandlungen in AM-verarbeiteten Legierungen resultieren. Ein zentrales Augenmerk lag darauf, zu verstehen, wie Elementseigerung genutzt werden kann, um mit Gitterdefekten zu interagieren und die Mikrostrukturentwicklung während nachgeschalteter Wärmebehandlungen in vorteilhafter Weise zu steuern.
Zu diesem Zweck wurden zwei Legierungssysteme ausgewählt. Die erste ist eine mittels Werkstoffsimulationen entwickelte einphasige Hochentropielegierung (engl.: Multi Principal Element Alloy, MPEA) Al10.5Co25Fe39.5Ni25 mit kubisch flächenzentrierter (fcc) Kristallstruktur, bei der die Heterogenitäten hauptsächlich durch die AM-typischen Flüssig-Fest-Umwandlungen entstehen. Die zweite ist ein kommerzieller DP600-ähnlicher, niedriglegierter Stahl, bei dem die mikrostrukturelle Heterogenität aus einer Kombination von Erstarrung und Festkörperphasenumwandlungen hervorgeht. Beide Legierungssysteme wurden zwei Wärmebehandlungen unterzogen: (i) Lösungsglühen bzw. vollständige Austenitisierung mit anschließender Alterung oder interkritischem Glühen, und (ii) direkten Wärmebehandlungen des additiv gefertigten Zustandes wie Direktalterung oder interkritisches Glühen. Letztere wurden gezielt so konzipiert, dass sie AM-induzierte Heterogenitäten aktivieren und Defekte als Keimbildungsstellen für die Phasenumwandlung nutzen. Ein umfassendes numerisches-experimentelles Designkonzept unterstützte das Verständnis der legierungsspezifischen Mechanismen der Mikrostrukturentwicklung. CALPHAD-basierte thermodynamische Modellierung und Mikrostruktur-aufgelöste Multiphasenfeldsimulationen (MPF) wurden eingesetzt, um die Zusammensetzung und Prozessbedingungen für die MPEA auszuwählen sowie das Seigerungsverhalten und die Phasenumwandlungsmechanismen beider Legierungen zu verstehen. Diese Erkenntnisse wurden mit mehrskaliger experimenteller Charakterisierung kombiniert, um die Entwicklung von der Mikrostruktur und die resultierende Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften zu quantifizieren.
Diese Arbeit schlägt einen Paradigmenwechsel in der Mikrostrukturkontrolle in AM-gefertigten Legierungen vor: Anstatt die prozessbedingten Heterogenitäten zu eliminieren, können diese gezielt als funktionale mikrostrukturelle Elemente genutzt werden. Die Kombination aus computergestützter Legierungsentwicklung, gezielten mikrostrukturellen Modifikationen und angepassten Wärmebehandlungen bietet einen vielversprechenden Weg zur Entwicklung der nächsten Generation von AM-Legierungen
Limits of mobility justice? An empirical study of Berlin’s street-space redesigns and their participatory processes
No full textFor nearly a century, car-centred transport planning has shaped urban mobility and infrastructure, contributing to environmental and social challenges. In response, cities worldwide are implementing street-space redesigns to promote an ecologically and socially just transformation of the transport sector. However, framing the measure of redesigns as inherently sustainable and beneficial oversimplifies a complex process of just mobility transitions. The mobility sector, as it is shaped today, is deeply intertwined with various mobility injustices and changes to it also risk (re)producing them. Moreover, the normative goal of mobility justice is multifaceted and spans different spatial and temporal scales. Reducing it to a question of spatial distribution overlooks the injustices, often becoming apparent in conflicts in and concerning the planning process. While many researchers and practitioners can subscribe to the abstract idea of a just mobility transition, yet in practical terms there is disagreement on what this involves and how it
is best achieved.
In three different studies with alternating foci, this study explores the extent to which the planning instrument of redesigns for the transport and mobility transition and especially their participatory processes (re)produce dimensions of mobility injustices. Sheller’s mobility justice framework and different explanatory approaches to political participation are used as a theoretical framework. To better investigate these complex interrelationships of the normative goal and the practical implications, a qualitative, case-study-driven research approach was adopted, combining narrative and problem-centred interviews as well as focus groups. Empirically, the study uses three street-space redesigns in Berlin.
The results indicate that the redesigns of urban street spaces contribute to the (re)production of distributive, procedural, and recognition-based mobility injustices. For example, distributive injustices persist when redesigns fail to improve accessibility and remain highly location specific. The most significant reproduction of injustices, however, occurs within the participatory process, where state actors invite the civil society to participate in the planning process of the redesign. In the case studies, these invited spaces appeared as exclusionary rooms where not all voices and especially those of structurally disadvantaged were not represented, heard and trusted. This in turn raised recognition-based and epistemic injustice. However, recognising and acknowledging the lived expertise of those particularly affected of mobility and societal injustices is central to mobility justice. Rather than truly opening up the discourse, the investigated invited spaces reinforced exclusion and silencing. The results of these exclusionary planning processes undermine even more the potential of society-centric planning approaches to enhance mobility justice.
By bringing the normative mobility justice lens to the analysis of planning instruments of the transport and mobility transition, this study not only brings to the fore the (re)production of mobility injustices through street-space redesigns but also sheds light on how especially their participatory planning approach could be improved for a truly just mobility transition.Seit geraumer Zeit dominiert eine autozentrierte Verkehrsplanung die Mobilität und Infrastruktur und trägt damit maßgeblich zu ökologischen sowie sozialen Herausforderungen im urbanen Raum bei. Als
Reaktion darauf setzen Städte weltweit auf Straßenraumumgestaltungen. Sie sollen eine ökologisch und soziale Verkehrs- und Mobilitätswende fördern. Diese Maßnahme jedoch per se als nachhaltig und transformationsförderlich zu betrachten, greift zu kurz. Der Verkehrssektor in seiner jetzigen Ausgestaltung ist tief in und mit verschiedenen Ungerechtigkeiten verwoben, sodass jegliche Veränderung auch neue Ungerechtigkeiten (re)produzieren kann. Darüber hinaus ist das normative Ziel der Mobilitätsgerechtigkeit ein multidimensionales Konzept, das sich über unterschiedliche räumliche und zeitliche Skalen erstreckt. Es auf eine rein räumliche Verteilungsfrage zu reduzieren, verkennt zentrale Gerechtigkeitsfragen, insbesondere jene, die in den Konflikten in und mit den Planungsprozessen der
Straßenraumumgestaltung zum Ausdruck kommen. Während viele Wissenschaftler*innen und Praktiker*innen das abstrakte Ziel einer gerechten Mobilitätswende teilen, herrscht in der Praxis Uneinigkeit
darüber, was dies konkret bedeutet und wie es am besten erreicht werden kann.
Vor diesem Hintergrund untersucht diese Studie, inwieweit Straßenraumumgestaltungen und ihre partizipativen Prozesse zur (Re-)Produktion von Dimensionen der Mobilitätsungerechtigkeiten beitragen.
Theoretisch stützt sich die Analyse auf Mimi Sheller‘s Konzept der Mobilitätsgerechtigkeit sowie verschiedene Erklärungsansätze zur politischen Partizipation. Methodisch folgt die Untersuchung einem
qualitativen Fallstudienansatz, der narrative und problemzentrierte Interviews sowie Fokusgruppen umfasst, um sich der Diskrepanz zwischen normativer Absicht und praktischer Implementierung zu nähern. Empirisch basiert die Analyse auf drei Straßenraumumgestaltungen in Berlin.
Die Ergebnisse verdeutlichen, dass Straßenraumumgestaltungen in ihrer derzeitigen Implementierung in Berlin distributive, prozedurale und anerkennungsbezogene Mobilitätsungerechtigkeiten reproduzieren. Distributive Ungerechtigkeiten bestehen beispielsweise fort, wenn die Umgestaltungen stark ortsspezifisch bleiben und die Zugänglichkeit zu (Mobilitäts-)Infrastrukturen nicht flächendeckend verbessert wird. Viele Mobilitätsungerechtigkeiten werden jedoch im und durch den partizipativen Prozess der Straßenraumumgestaltungen (re)produziert, wenn staatliche Akteure die Zivilgesellschaft zur Beteiligung am Planungsprozess einladen. Zum einen erweisen sich diese invited spaces als ein exklusiver Raum, in dem nicht alle Stimmen repräsentiert sind. Strukturell benachteiligte Gruppen sind unterrepräsentiert. Vielmehr ist es ein Raum für diejenigen, für die die Straßenraumumgestaltung von Bedeutung ist, und die sich in den Räumen gehört fühlen. Zum anderen fühlen sich Menschen mit ihrer gelebten Expertise, und damit als wissende Person, in den invited spaces nicht wahrgenommen oder ihre Expertise als legitim anerkannt. Neben prozeduralen Gerechtigkeitsfragen wirft diese Beobachtung wiederum Fragen der Anerkennungs- und epistemischen Gerechtigkeit auf. Die Anerkennung und Wertschätzung der gelebten Expertise jener, die besonders von Mobilitäts- und gesellschaftlichen Ungerechtigkeiten betroffen sind, ist für Mobilitätsgerechtigkeit von gleichsamer Bedeutung. Anstatt Diskursräume tatsächlich zu öffnen, legen die Ergebnise der untersuchten invited spaces nahe Ungerechtigkeiten zu verstärken. Vielmehr scheinen die Ergebnisse solcher exklusiven Planungsprozesse das Potential gesellschaftszentrierter Planungsansätze zur Förderung von Mobilitätsgerechtigkeit zu untergraben.
Durch die Anwendung einer Mobilitätsgerechtigkeitsperspektive auf die Analyse von Maßnahmen der Verkehrs- und Mobilitätswende, verweist die Arbeit nicht nur auf (Re-)Produktionen von Mobilitätsungerechtigkeiten durch Straßenraumumgestaltungen, sondern zeigt auch auf, wie insbesondere ihre partizipativen Prozesse im Sinne einer wirklich gerechten Mobilitätswende verbessert werden können.BMFTR, 01UU1902A, Die Verkehrswende als sozial-ökologisches Realexperiment. Teilprojekt 1: Transformationsprozess, Diskurse und transdisziplinäre Forschungsmethode
Advanced federated learning methods for the analysis of remote sensing images across decentralized and unshared archives
No full textAdvances in remote sensing (RS) technologies have resulted in the rapid increase in the volume of RS images distributed across decentralized archives (i.e., clients). While deep learning (DL) has achieved remarkable success in extracting knowledge from large-scale RS data, most existing DL methods rely on centralized access to archives. However, RS images might be distributed across different clients, and these images may remain unshared due to commercial interests, legal regulations, and privacy concerns, making conventional DL methods infeasible in many RS applications. To overcome this challenge, federated learning (FL) can be used, which enables clients to collaboratively train models on decentralized archives while preserving data locality and privacy through the aggregation of locally computed updates at a central server. Despite its potential, existing FL methods face several limitations when applied to RS image classification, particularly regarding: i) challenges in mitigating the effects of training data heterogeneity; ii) the limited ability of FL to exploit complementary information from multi-modal data distributed across clients; and iii) the communication overhead arising from the frequent exchange of large-scale model updates across clients and a central server. This thesis addresses these challenges by introducing advanced FL strategies designed for RS image classification. First, we present the first comparative study on advanced FL algorithms in the context of RS image classification. Building on a systematic review, we select several state-of-the-art FL algorithms and assess their ability to address training data heterogeneity. We provide both theoretical and experimental comparisons under diverse decentralization scenarios, evaluating the algorithms with respect to local training complexity, aggregation complexity, learning efficiency, communication cost, and scalability. The findings demonstrate limitations of conventional FL algorithms when applied to heterogeneous RS archives. Based on these analyses, we provide a guideline for selecting suitable FL algorithms for RS image classification. Second, we propose a novel multi-modal FL framework that learns DL model parameters from decentralized and unshared RS image archives associated with different modalities (e.g., Sentinel-1 and Sentinel-2). The framework integrates three modules: 1) multi-modal fusion module to preserve complementary information across clients; 2) feature whitening module to align heterogeneous feature distributions and mitigate training data heterogeneity; and 3) mutual information maximization module to enforce cross-modal consistency without requiring direct access to paired multi-modal samples. The joint use of all modules enables the framework to fully exploit complementary information from decentralized multi-modal data, while effectively mitigating heterogeneity across clients. Third, we introduce FedX, an explanation-guided pruning strategy that leverages backpropagation-based interpretability methods to assess the relevance of model parameters and remove less informative components from the global model. By identifying and retaining only the most task-relevant parameters, FedX enables the transmission of sparse global models that substantially reduce communication overhead while maintaining strong generalization performance. Beyond improving efficiency, FedX demonstrates superior robustness under high sparsity levels compared to state-of-the-art pruning approaches, highlighting its effectiveness for communication-constrained FL scenarios in RS. These contributions of this thesis provide a foundation for advancing FL methods for RS by enabling scalable, communication-efficient, and privacy-preserving learning from decentralized and unshared RS image archives. The code for all contributions of this thesis is made publicly available to support reproducibility and further research.Fortschritte in der Fernerkundung haben zu einer rasanten Zunahme des Volumens von Satellitenbildern geführt, die über dezentrale Bildarchive (Clients) verteilt sind. Während Deep Learning (DL) bemerkenswerte Erfolge bei der Wissensextraktion aus großskaligen Fernerkundungsdaten erzielt hat, basieren die meisten bestehenden DL-Methoden auf zentralem Datenzugriff. Satellitenbilder können jedoch auf verschiedene Clients verteilt sein und bleiben aufgrund kommerzieller Interessen, gesetzlicher Vorschriften oder Datenschutzbedenken häufig unzugänglich (ungeteilt), was den Einsatz konventioneller DL-Methoden in vielen Anwendungen der Fernerkundung unpraktikabel macht. Zur Überwindung dieser Einschränkungen kann Federated Learning (FL) eingesetzt werden. FL ermöglicht es mehreren Clients, gemeinsam Modelle auf dezentralen Archiven zu trainieren, wobei die Datenlokalität und der Datenschutz durch die Aggregation lokal berechneter Modell-Updates auf einem zentralen Server gewahrt bleiben. Trotz dieses Potenzials weisen bestehende FL-Methoden im Kontext der Klassifikation von Satellitenbildern mehrere Einschränkungen auf, insbesondere im Hinblick auf: i) die Handhabung der Heterogenität der Trainingsdaten; ii) die begrenzte Fähigkeit, komplementäre Informationen aus multimodalen Daten, die über verschiedene Clients verteilt sind, zu nutzen; und iii) den Kommunikationsaufwand, der durch den häufigen Austausch großskaliger Modell-Updates zwischen Clients und zentralen Server entsteht. Diese Dissertation adressiert diese Herausforderungen durch die Entwicklung fortgeschrittener FL-Strategien für die Klassifikation von Satellitenbildern. Erstens wird die erste vergleichende Studie zu modernen FL-Algorithmen im Kontext der Klassifikation von Satellitenbildern vorgestellt. Aufbauend auf einer systematischen Literaturübersicht werden mehrere State-of-the-Art-Algorithmen ausgewählt und hinsichtlich ihrer Fähigkeit untersucht, Trainingsdaten-Heterogenität zu bewältigen. Theoretische und experimentelle Vergleiche werden unter verschiedenen Dezentralisierungsszenarien durchgeführt und die Algorithmen in Bezug auf lokale Trainingskomplexität, Aggregationskomplexität, Lerneffizienz, Kommunikationskosten und Skalierbarkeit bewertet. Die Ergebnisse zeigen die Grenzen konventioneller FL-Algorithmen bei der Anwendung auf heterogene Sattelitenbildarchive auf. Auf Grundlage dieser Analysen wird eine Orientierungshilfe zur Auswahl geeigneter FL-Algorithmen für die Klassifikation von Satellitenbildern bereitgestellt. Zweitens wird ein neuartiges Multi-Modal-FL-Framework vorgeschlagen, das DL-Modellparametern aus dezentralen und ungeteilten Sattelitenbildarchive unterschiedlicher Modalitäten (z. B. Sentinel-1 und Sentinel-2) lernt. Das Framework integriert drei Module: (1) ein Multi-Modal-Fusion-Modul zur Erhaltung komplementärer Informationen über die Clients hinweg, (2) ein Feature-Whitening-Modul zur Angleichung heterogener Featureverteilungen und Reduktion der Trainingsdaten-Heterogenität sowie (3) ein Mutual-Information-Maximization-Modul zur Durchsetzung von Cross-Modal-Konsistenz ohne direkten Zugriff auf gepaarte multimodale Stichproben. Durch die gemeinsame Nutzung aller Module kann das Framework komplementäre Informationen aus dezentralen multimodalen Daten vollständig ausschöpfen und gleichzeitig die Heterogenität zwischen den Clients wirksam reduzieren. Drittens wird FedX vorgestellt, eine auf Interpretationsmethoden gestützte Pruning-Strategie, die Backpropagation-basierte Methoden nutzt, um die Relevanz von Modellparametern zu bewerten und weniger informative Komponenten des globalen Modells zu entfernen. Durch die Identifikation und Beibehaltung der für die Aufgabe relevantesten Parameter ermöglicht FedX die Übertragung parameterreduzierter globaler Modelle, die den Kommunikationsaufwand erheblich reduzieren und gleichzeitig eine starke Generalisierungsleistung bewahren. Neben einer verbesserten Effizienz zeigt FedX eine überlegene Robustheit bei hohen Sparsitätsgraden im Vergleich zu bestehenden Pruning-Ansätzen und unterstreicht damit seine Eignung für kommunikationsbeschränkte FL-Szenarien in der Fernerkundung. Die Beiträge dieser Dissertation schaffen eine Grundlage für die Weiterentwicklung von FL-Methoden in der Fernerkundung, indem sie skalierbares, kommunikationseffizientes und datenschutzwahrendes Lernen aus dezentralen und ungeteilten Sattelitenbildarchive ermöglichen. Der Code zu allen in dieser Arbeit vorgestellten Beiträgen ist öffentlich verfügbar, um Reproduzierbarkeit und weiterführende Forschung zu ermöglichen
In-silico- und in-vitro-Machbarkeitsstudie eines neuartigen Pumpprinzips für ein langlebiges Total Artificial Heart
No full textTotal Artificial Hearts (TAH) can be applied to replace the native heart in case of severe biventricular heart failure until a suitable donor heart can be found. Their application as long-term therapy is compromised by limited durability, high complication rates, and low quality of life. To account for the contradictory requirements of adequate long-term heart replacement, different TAH principles emerged, whereas no concept meets all requirements.
This thesis gives insights into the design process and explores the early-stage feasibility of an alternative TAH concept, the ShuttlePump, which features an innovative pulsatile pumping principle in both systemic and pulmonary circulation based on a single moving part, intended to overcome the drawbacks of existing TAH concepts by means of pulsatile flow, long-term durability, and small device size. On the basis of risk assessments and results derived from dedicated in silico and in vitro methods, the feasibility of the pumping principle for a durable TAH is evaluated, residual risks are discussed and comparisons to state-of-the-art TAH concepts are drawn.
The results point toward the feasibility of the pumping principle with acceptable residual risks in terms of basic hemodynamic performance, anatomical compatibility, and hemocompatible-related parameters. However, the pulsatility metrics fall behind the physiological range, the durability remains an open question, and the quality of life might be impaired due to oscillating reaction forces. To overcome these drawbacks, improvement strategies and risk control measures are discussed, and two alternative pumping principles are proposed that hold promise as durable TAHs for long-term therapy, substantiating further research and development in this direction.Vollherzersatzsysteme (Total Artificial Hearts, TAH) werden klinisch verwendet, um Herzen von Patienten mit terminaler Herzinsuffizienz zu ersetzen, bis geeignete Spenderherzen gefunden werden. Aufgrund von eingeschränkter Langlebigkeit, hohen Komplikationsraten und eingeschränkter Lebensqualität ist eine Langzeittherapie mit TAHs bisher nicht zugelassen. Um den teils widersprüchlichen Anforderungen an einen langfristig geeigneten Herzersatz gerecht zu werden, wurden verschiedene TAH-Prinzipien entwickelt, von denen jedoch keines alle Anforderungen erfüllt.
In dieser Arbeit wird der Design-Prozess und eine frühe Machbarkeitsuntersuchung eines alternativen TAH-Konzepts gezeigt, welches durch ein neuartiges pulsatiles Pumpprinzip mit nur einem beweglichen Teil sowohl den systemischen als auch den Lungenkreislauf mit Blutfluss versorgen kann. Das Konzept soll Nachteile bestehender TAH-Konzepte in Hinblick auf pulsatilen Blutfluss, Langlebigkeit und einer kompakten Bauweise überwinden. Auf Grundlage von Risikobeurteilungen und Ergebnissen von in silico-Simulationen und in vitro-Untersuchungen wird die Eignung des Pumpprinzips für ein TAH für die Langzeittherapie sowie Restrisiken bewertet und mit dem Stand der Technik verglichen.
Die Ergebnisse deuten auf die grundsätzliche Machbarkeit akzeptable Restrisiken hinsichtlich hämo- dynamischer Leistungs- fähigkeit, Implantierbarkeit und Hämokompatibilität hin. Allerdings liegen die Pulsatilitätskennwerte unterhalb des physiologischen Bereichs, die Haltbarkeit konnte nicht abschließend bewertet werden und die Lebensqualität könnte durch oszillierende Reaktionskräfte beeinträchtigt werden.
Zur Überwindung dieser Nachteile werden Verbesserungsvorschläge diskutiert sowie zwei alternative Pumpprinzipien vorgestellt, die Potenzial für einen TAH-Einsatz in der Langzeittherapie bieten und somit weitere Forschung und Entwicklung in diese Richtung rechtfertigen
Untersuchung der Managementstrategien zur Abstimmung von Angebot und Nachfrage in einer großen öffentlichen Gesundheitskrise
No full textAs one of the global disasters, the impact of infectious disease outbreaks is continuously expanding due to population growth, globalization, and environmental changes. In recent decades, from the Ebola outbreak in Africa to the global pandemic of COVID-19, and the spread of cholera and monkeypox, infectious disease events have become increasingly frequent, characterized by high uncertainty and widespread coverage. Major epidemics not only threaten human life and health but also profoundly impact lifestyles and socio-economic development. This presents heightened challenges for the demand response and supply assurance of anti-epidemic materials during epidemics.
In this context, aiming to provide effective management guidance to the international community for more effectively safeguarding public health and stabilizing the economy in the face of potential future public health emergencies, this dissertation systematically analyzes the demand transmission mechanisms and provision policies of emergency materials during public health emergencies from the perspectives of demand respond and supply management, which carries out the following tasks:
Firstly, this dissertation explores the critical factors in anti-epidemic material management and discusses the similarities and differences in the strategic orientation of epidemic material management between two countries with different political systems, cultural backgrounds, and healthcare systems. By collecting opinions data from experts in the related fields in China and Germany and using a combination method of Grey Decision-making Trial and Evaluation Laboratory (Grey-DEMATEL) and Interpretive Structural Modeling (ISM), this study provides policy recommendations for the formulation and implementation of epidemic material management in both countries. Through this, a comprehensive understanding of the prevalent challenges in anti-epidemic material provision at both the demand and supply sides was achieved. Research findings reveal strategic thinking differences between the two countries in stabilizing demand, ensuring supply and enhancing matching of supply and demand. Meanwhile, this work provides a solid empirical foundation for the subsequent theoretical exploration of this dissertation.
Next, based on the comprehensive analysis mentioned above, this dissertation studies the demand transmission mechanism of anti-epidemic material, verifying and emphasizing the importance of guiding rational demand for epidemic materials and monitoring changes in the quantity of centralized material storages. By establishing an "information-epidemic-resource" three-layer complex network model, this study reveals internal mechanisms of demand changes for protective materials and cure-focused materials during epidemics. It is found that the demand for anti-epidemic materials is not only affected by the infected scale, but also by public behaviors such as information dissemination and travel mobility. Moreover, protective resources are more susceptible to fluctuations in demand due to misinformation dissemination and epidemic prevention levels compared to therapeutic resources. This study also finds that strengthening self-protection can reduce fluctuations in individual material holdings, while effective restrictive measures can reduce fluctuations in centralized storages, alleviating the pressure on provision in storage centers.
Finally, the dissertation further proposes a multi-objective optimization concept for anti-epidemic provision, considering not only people's safety and health but also economic stability. To this end, this dissertation conducts a study on the macroeconomic impacts of anti-epidemic provision policies by considering the heterogeneity of network nodes and developing a "virus-materials" macroeconomic network model to comprehensively assess the impact of four types of anti-epidemic provision policies—vaccine development, priority vaccination, material replenishment, and mutual aid behaviors—on the macroeconomic level during the epidemic. This study reveals that specific provision strategies indeed contribute to the reduction of infection scale, increase in consumption, or enhancement of utility. This study also finds that population aging would reduce the aggregate consumption and utility, but implementing the optimal anti-epidemic provision policy will not negatively affect the macroeconomy as the aging population deepens.
Overall, this dissertation provides comprehensive management guidance and decision support for establishing demand response mechanisms and formulating provision policies of emergency materials during epidemics from three aspects of stabilizing demand, ensuring supply, and strengthening supply-demand matching. This is not only significant for enhancing national emergency management capabilities, but also helps the international community respond more effectively to potential future public health emergencies.Als eine der globalen Katastrophen nimmt die Auswirkung von Ausbrüchen von Infektionskrankheiten aufgrund des Bevölkerungswachstums, der Globalisierung und der Umweltveränderungen kontinuierlich zu. In den letzten Jahrzehnten, von dem Ebola-Ausbruch in Afrika über die globale COVID-19-Pandemie bis hin zur Verbreitung von Cholera und Affenpocken, sind Ereignisse von Infektionskrankheiten zunehmend häufiger geworden, gekennzeichnet durch hohe Unsicherheit und weitreichende Verbreitung. Große Epidemien bedrohen nicht nur das menschliche Leben und die Gesundheit, sondern beeinflussen auch die Lebensweise und die sozioökonomische Entwicklung zutiefst. Dies stellt erhöhte Herausforderungen für die Nachfrage und die Sicherstellung der Versorgung mit Anti-Epidemie-Materialien während Epidemien dar.
In diesem Zusammenhang, mit dem Ziel, der internationalen Gemeinschaft wirksame Managementleitlinien zur Verfügung zu stellen, um die öffentliche Gesundheit und die Stabilität der Wirtschaft im Angesicht potenzieller zukünftiger öffentlicher Gesundheitsnotfälle besser zu schützen, analysiert diese Dissertation systematisch die Nachfrageübertragungsmechanismen und Bereitstellungspolitiken von Notfallmaterialien während öffentlicher Gesundheitsnotfälle aus den Perspektiven der Nachfragebewältigung und des Versorgungsmanagements und führt die folgenden Aufgaben durch:
Erstens untersucht diese Dissertation die kritischen Faktoren im Management von Anti-Epidemie-Materialien und diskutiert die Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der strategischen Ausrichtung des Epidemie-Material-Managements zwischen zwei Ländern mit unterschiedlichen politischen Systemen, kulturellen Hintergründen und Gesundheitssystemen. Durch das Sammeln von Meinungsdaten von Experten in den relevanten Bereichen in China und Deutschland und die Verwendung einer Kombination aus Grey Decision-Making Trial and Evaluation Laboratory (Grey-DEMATEL) und Interpretive Structural Modeling (ISM) bietet diese Studie politische Empfehlungen für die Formulierung und Umsetzung des Managements von Epidemie-Materialien in beiden Ländern. Dadurch wurde ein umfassendes Verständnis der weit verbreiteten Herausforderungen bei der Bereitstellung von Anti-Epidemie-Materialien auf der Nachfrage- und Angebotsseite erreicht. Die Forschungsergebnisse zeigen Unterschiede im strategischen Denken der beiden Länder in Bezug auf die Stabilisierung der Nachfrage, die Sicherstellung der Versorgung und die Verbesserung der Übereinstimmung von Angebot und Nachfrage. Gleichzeitig liefert diese Arbeit eine solide empirische Grundlage für die anschließende theoretische Erkundung dieser Dissertation.
Anschließend untersucht diese Dissertation, basierend auf der oben genannten umfassenden Analyse, den Nachfrageübertragungsmechanismus von Anti-Epidemie-Materialien und betont die Bedeutung der Führung einer rationalen Nachfrage nach Epidemie-Materialien und der Überwachung von Änderungen in der Menge zentralisierter Materiallager. Durch die Erstellung eines dreischichtigen komplexen Netzmodells "Information-Epidemie-Ressource" enthüllt diese Studie die inneren Mechanismen von Nachfrageänderungen für Schutz- und Heilungsmaterialien während Epidemien. Es wird festgestellt, dass die Nachfrage nach Anti-Epidemie-Materialien nicht nur von der Infektionsgröße beeinflusst wird, sondern auch von öffentlichen Verhaltensweisen wie Informationsverbreitung und Reisebewegungen. Darüber hinaus sind Schutzressourcen im Vergleich zu therapeutischen Ressourcen anfälliger für Nachfrageschwankungen aufgrund von Fehlinformationsverbreitung und Epidemiepräventionsniveaus. Diese Studie zeigt auch, dass die Stärkung des Selbstschutzes Nachfrageschwankungen bei individuellen Materialbeständen reduzieren kann, während wirksame restriktive Maßnahmen Schwankungen in zentralen Lagern verringern und den Druck auf die Versorgung in Lagerzentren mindern können.
Schließlich schlägt die Dissertation ein multi-objektives Optimierungskonzept für die Anti-Epidemie-Versorgung vor, das nicht nur die Sicherheit und Gesundheit der Menschen, sondern auch die wirtschaftliche Stabilität berücksichtigt. Zu diesem Zweck führt diese Dissertation eine Studie über die makroökonomischen Auswirkungen von Anti-Epidemie-Versorgungspolitiken durch, indem sie die Heterogenität von Netzwerkknoten berücksichtigt und ein makroökonomisches Netzmodell "Virus-Materialien" entwickelt, um die Auswirkungen von vier Arten von Anti-Epidemie-Versorgungspolitiken - Impfstoffentwicklung, prioritäre Impfung, Materialnachschub und gegenseitige Hilfeverhalten - auf das makroökonomische Niveau während der Epidemie umfassend zu bewerten. Diese Studie zeigt, dass spezifische Versorgungsstrategien tatsächlich zur Reduzierung der Infektionsgröße, zur Steigerung des Konsums oder zur Erhöhung des Nutzens beitragen. Es wird auch festgestellt, dass die Bevölkerungsalterung den Gesamtkonsum und den Nutzen verringert, aber die Umsetzung der optimalen Anti-Epidemie-Versorgungspolitik keine negativen Auswirkungen auf die Makroökonomie hat, wenn die alternde Bevölkerung zunimmt.
Insgesamt bietet diese Dissertation umfassende Managementleitlinien und Entscheidungshilfen für die Etablierung von Nachfragebewältigungsmechanismen und die Formulierung von Versorgungspolitiken für Notfallmaterialien während Epidemien aus den drei Aspekten der Stabilisierung der Nachfrage, der Sicherstellung der Versorgung und der Stärkung der Übereinstimmung von Angebot und Nachfrage. Dies ist nicht nur von großer Bedeutung für die Verbesserung der nationalen Notfallmanagementfähigkeiten, sondern hilft auch der internationalen Gemeinschaft, potenziellen zukünftigen öffentlichen Gesundheitsnotfällen wirksamer zu begegnen
A polyhedral construction of empty spheres in discrete distance fields
No full textLie sphere geometry provides a unified representation of points, oriented spheres and hyperplanes in Euclidean d-space as the subset of lines in R+3 that are contained in a certain quadric. The natural scalar product in this construction is zero if two elements are in oriented contact. We show how the sign of this product can be used to decide if spheres are disjoint. This allows us to model the space of spheres that are not intersecting a given union of spheres as the intersection of half-spaces (and the quadric). The maximal spheres are on the boundary of this set and can be computed by first constructing the intersection of half-spaces, which is a convex hull problem, and then intersecting edges of the hull against the quadric, which are the roots of a univariate quadratic. We demonstrate the method at the example of contouring a discrete signed distance field: every sample of the signed distance field represents an empty spheres and the zero-level contour has to be disjoint from the union of these spheres. Maximal spheres outside the empty spheres provide samples on the zero-level contour. The quality of this sample set is comparable to existing methods relying on optimization, while being deterministic and faster in practice.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025EC/H2020/101055448/EU/Geometry Processing as Inference/EMERG
Abluftposition und Stagnationsriskio in Mischlüftung
No full textThis thesis introduces a novel evaluation metric for ventilation effectiveness, stagnation risk, which quantifies the likelihood of contaminant accumulation in poorly ventilated zones. Such stagnation areas lead to locally elevated pollutant concentrations that are insufficiently diluted or removed, posing potential health and comfort risks.
The primary objective is to systematically assess the influence of exhaust air positioning on the formation and extent of stagnation zones. For this purpose, a numerical parameter study was conducted, varying supply air strategies and flow conditioning. The simulation results were validated against experimental measurements and literature data to ensure robustness.
Building on the simulation data, correlation and sensitivity analyses were performed to identify key influencing parameters. These investigations led to the formulation of generalized recommendations for optimizing ventilation design. In addition to the numerical approach, an analytical model was developed that enables prediction of stagnation risk based primarily on air change efficiency. Which is again mainly dependent on the supply and exhaust opening configuration for a room-encompassing airflow.
The results demonstrate that exhaust position significantly affects ventilation performance. The proposed stagnation risk metric allows for a concise yet informative evaluation of system effectiveness and supports the design of ventilation systems that minimize the formation of stagnant regions. This approach provides a practical tool for engineers and researchers seeking to improve indoor air quality through more effective and energy-efficient ventilation strategies.Diese Dissertation führt eine neuartige Bewertungskennzahl für die Lüftungseffektivität ein, das Stagnationsrisiko, welches die Wahrscheinlichkeit der Anreicherung von Schadstoffen in schlecht belüfteten Bereichen quantifiziert. Solche Stagnationszonen führen zu lokal erhöhten Schadstoffkonzentrationen, die unzureichend verdünnt oder abgeführt werden und somit potenzielle Risiken für Gesundheit und Komfort darstellen.
Das primäre Ziel der Arbeit ist es, den Einfluss der Abluftpositionierung auf die Entstehung und Ausdehnung von Stagnationszonen systematisch zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde eine numerische Parameterstudie durchgeführt, in der Zuluftarten und weitere Randbedingungen variiert wurden. Die Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen Messungen und Literaturdaten validiert.
Aufbauend auf den Simulationsdaten wurden Korrelations- und Sensitivitätsanalysen durchgeführt, um die maßgeblichen Einflussparameter zu identifizieren. Diese Untersuchungen führten zur Formulierung generalisierter Empfehlungen. Ergänzend zum numerischen Ansatz wurde ein analytisches Modell entwickelt, das eine Vorhersage des Stagnationsrisikos ermöglicht, welches primär auf dem Luftaustauschwirkungsgrad (air change efficiency) basiert. Dieses hängt wiederum maßgeblich von der Anordnung der Zu- und Abluftöffnungen für eine raumumfassende Luftströmung ab.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Abluftposition einen signifikanten Einfluss auf die Lüftungseffektivität hat. Die vorgeschlagene Kennzahl des Stagnationsrisikos erlaubt eine kompakte und zugleich aussagekräftige Bewertung der Systemwirksamkeit und unterstützt die Auslegung von Lüftungssystemen, die die Bildung stagnierender Bereiche minimieren. Dieser Ansatz stellt ein praxisnahes Werkzeug für Ingenieurinnen und Ingenieure sowie Forschende dar, die die Innenraumluftqualität durch effektivere und energieeffizientere Lüftungsstrategien verbessern möchten
How commercial content moderation APIs over- and under-moderate group-targeted hate speech and linguistic variations
No full textCommercial content moderation APIs are marketed as scalable solutions to combat online hate speech. However, the reliance on these APIs risks both silencing legitimate speech, called over-moderation, and failing to protect online platforms from harmful speech, known as under-moderation. To assess such risks, this paper introduces a framework for auditing black-box NLP systems. Using the framework, we systematically evaluate five widely used commercial content moderation APIs. Analyzing five million queries based on four datasets, we find that APIs frequently rely on group identity terms, such as “black”, to predict hate speech. While OpenAI’s and Amazon’s services perform slightly better, all providers under-moderate implicit hate speech, which uses codified messages, especially against LGBTQIA+ individuals. Simultaneously, they over-moderate counter-speech, reclaimed slurs and content related to Black, LGBTQIA+, Jewish, and Muslim people. We recommend that API providers offer better guidance on API implementation and threshold setting and more transparency on their APIs’ limitations.
Warning: This paper contains offensive and hateful terms and concepts. We have chosen to reproduce these terms for reasons of transparency.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202