Technische Universität Dresden: Qucosa
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Exploiting Data-Level-Parallelism for Modern In-Memory OLAP Query Engines
Get PDFThe development of in-memory query engines is constantly adapting to evolving hardware features to maintain high performance for modern data analytics.
To achieve this, parallelizing query processing is crucial for leveraging the full potential of modern hardware.
While traditional parallelization techniques like multi-threading and distributed computing are well-established, the increasing availability and continuous advancements of data-level parallelism, known as Single Instruction Multiple Data (SIMD), have made SIMD a cutting-edge approach for improving single-query performance.
Three general trends can be identified in the evolution of SIMD hardware: (i) continual increase in the available degree of data-level parallelism through wider SIMD registers, (ii) ongoing expansion of functional capabilities, and (iii) notable heterogeneity of the SIMD hardware landscape.
The increasing width of SIMD registers, ranging from 128-bit to 512-bit for Intel and ARM platforms and up to 16 Kb on the NEC SX-Aurora TSUBASA vector engine, provides significant potential for data-level parallelism.
This trend benefits query operators with linear access patterns, such as simple scans or arithmetic operations.
However, it can negatively impact operators that rely on random access patterns or introduce loop-carried dependencies, such as sorting or a Hash-Join.
With the introduction of novel instruction set extensions, like Intel's AVX-512, the functional capabilities of SIMD hardware have been continuously extended, allowing more complex operations to be efficiently executed in parallel.
Consequently, this thesis outlines the opportunities and challenges of wider SIMD registers for in-memory query processing and how novel instruction set extensions can be used to mitigate some challenges.
Additionally, the SIMD hardware landscape has become increasingly heterogeneous, with different architectures available.
This diversity poses a significant challenge for academia and industry, as it requires constant adaptation and re-evaluation of SIMD-based algorithms and data structures.
To address this challenge, we implemented a SIMD hardware abstraction library called Template SIMD Library (TSL), which provides a unified interface to different architectures.
In this thesis, we present the design and implementation of TSL, demonstrating its capabilities by implementing a set of SIMD-based algorithms for in-memory query processing. We also show that even modern FPGAs benefit from the SIMD paradigm and can be programmed using high-level synthesis tools, such as Intel's oneAPI.
Moreover, we demonstrate the potential of SIMD-based FPGA programming by implementing SIMD-based algorithms for in-memory query processing on different FPGA cards and integrating the necessary functionality into the TSL.
Finally, we propose a novel workload-aware SIMD query processing approach called SIMQ.
This approach leverages SIMD registers to share data access and SIMD instructions to share computation across queries.:1 Introduction
1.1 Single Instruction Multiple Data (SIMD)
1.1.1 Utilizing SIMD
1.1.2 SIMD in OLAP Query Processing
1.2 Thesis Goals and Contributions
1.2.1 Implications of SIMD Advancements on Analytical Query Processing
1.2.2 Leveraging SIMD to Optimize OLAP Query Throughput
1.2.3 Embracing the Heterogeneity of SIMD-aware Hardware
1.3 Impact of Thesis Contributions
1.3.1 Publications of Thesis Contribution
1.3.2 Open Source Contributions
1.3.3 Further Publications
1.4 Structure of the Thesis
2 Evaluating the Vector Supercomputer SX-Aurora TSUBASA
2.1 Problem Statement
2.2 Hardware System SX-Aurora TSUBASA
2.2.1 Overall Architecture
2.2.2 Vector Processing and Specific Systems
2.2.3 Execution Model and Programming Approach
2.3 MorphStore — In-Memory Database System
2.4 Comparative Evaluation
2.4.1 Selected Investigated Operations
2.4.2 Experimental Setup and Methodology
2.4.3 Single-Thread Evaluation Results
2.4.4 Multi-Thread Evaluation Results
2.4.5 Summary
2.5 Future Work
2.6 Conclusion
3 Fighting Duplicates in Hashing
3.1 Problem Statement
3.2 Background
3.2.1 Linear Probing
3.2.2 State-of-the-Art Vectorized Implementation of Linear Probing
3.2.3 Novel SIMD Instructions
3.3 CD-aware Vectorized Implementation of Linear Probing
3.3.1 CD-aware Hash Table Data Structures
3.3.2 Handling of Bucket Duplicates
3.3.3 Handling of Key Duplicates
3.4 Experimental Evaluation
3.4.1 Evaluation Result for Hashing without Value Handling
3.4.2 Evaluation Results for Hashing with Value Handling
3.5 Related Work
3.6 Conclusion and Future Work
4 Leveraging SIMD to Optimize OLAP Query Throughput
4.1 Problem Statement
4.2 Background and Related Work
4.2.1 Vectorization in General
4.2.2 Vectorization in Database Systems
4.2.3 Work Sharing in Database Systems
4.3 Sharing Vector Registers
4.3.1 SISQ: Single Instruction Single Query
4.3.2 SIMQ: Single Instruction Multiple Queries
4.4 Evaluation
4.4.1 Single-Threaded Evaluation
4.4.2 Multi-Threaded Evaluation
4.5 Discussion
4.6 Conclusion
5 Program your (custom) SIMD instruction set on FPGA in C++
5.1 Problem Statement
5.2 FPGA Programming in C++
5.2.1 Naïve C++ programming
5.2.2 Data Parallel C++ programming.
5.2.3 Using specialized data types
5.2.4 Analyzing FPGA resources
5.2.5 Summary
5.3 Programming SIMD instruction set
5.3.1 Register Definition
5.3.2 Instruction Definition
5.3.3 Comparing with RTL kernels
5.4 Use Case Studies
5.4.1 FilterCount
5.4.2 Binary Packing
5.5 Custom SIMD instructions
5.6 DPC++ Best practices
5.7 Related Work
5.8 Conclusion
6 Mastering the SIMD Heterogeneity
6.1 Problem Statement
6.2 Background
6.2.1 Applicability
6.2.2 Evolving API
6.3 TSLGen - Generative Framework
6.3.1 General Concepts
6.3.2 Framework Description
6.4 Advanced Features
6.4.1 Test Generation
6.4.2 Build Environment Files Generation
6.4.3 Further Extensions
6.4.4 Toolsupport
6.5 Use-Case Studies
6.5.1 Case Studies Description
6.5.2 Applicability
6.5.3 Extensibility
6.6 Discussion
6.7 Related Work
6.8 Conclusion
7 Tutorial on SIMD - Foundations, Abstraction, and Advanced Techniques
7.1 Problem Statement
7.2 Foundations
7.3 Abstraction
7.4 Advanced Techniques
7.4.1 Wider SIMD Registers
7.4.2 Flexibly-Sized SIMD Registers
7.4.3 Partition-based SIMD Processing
7.4.4 Increasing Heterogeneity
7.5 SummaryKontinuierlich wachsende Mengen an zu verwaltenden Daten und komplexer werdende analytische Anfragen erfordern eine stetige Weiterentwicklung und Verbesserung von In-Memory Query Engines.
Die effiziente Ausnutzung sich ständig weiterentwickelnder Hardware-Features fällt dabei eine entscheidende Rolle zu.
Ein grundlegender Ansatz zur Beschleunigung von Algorithmen besteht in der Parallelisierung der Verarbeitung.
Neben Scale-up und Scale-out Ansätzen, wie Multi-Thread beziehungsweiße Distributed Computing, existiert die Möglichkeit der Datenlevel parallelen (Single Instruction Multiple Data (SIMD)) Verarbeitung.
Durch die zunehmende Verfügbarkeit und kontinuierliche Weiterentwicklung ist vorallem SIMD eine häufig eingesetzte Technik zur Beschleunigung verschiedenster Algorithmen in Forschung und Industrie geworden.
Drei allgemeine Trends lassen sich im Bezug auf die Entwicklung von SIMD-Hardware identifizieren: (i) eine kontinuierliche Zunahme des verfügbaren Grades an Datenparallelismus durch breitere SIMD-Register, (ii) eine kontinuierliche Erweiterung des Funktionsumfangs und (iii) eine große Heterogenität der SIMD-Hardware-Landschaft.
Die zunehmende Breite der verfügbaren SIMD-Register, die von 128 bit bis 512 bit für Inel und ARM Plattformen und bis zu 16 Kb auf der NEC SX-Aurora TSUBASA reicht, nützt vorallem Algorithmen mit linearem Zugriffsmuster ohne relevante Abhängigkeiten zwischen den einzelnen zu verarbeitenden Daten.
Algorithmen welche auf nicht-lineare Zugriffsmuster angewiesen sind oder deren Verhalten stark von den zu Grunde liegenden Daten abhängig ist, können jedoch häufig nicht von einem höheren Grad an Datenlevel Parallelismus profitieren.
Ein Beispiel für solch einen Algorithmus ist der Hash-Join, dessen Ziel es ist, zwei Relationen über einen gemeinsamen Schlüssel zu verknüpfen.
Durch die Einführung neuer Befehlssatzerweiterungen wie AVX-512 von Intel werden die funktionalen Fähigkeiten der der verfügbaren SIMD-Hardware kontinuierlich erweitert, wodurch bisherige Annahmen neu bewertet werden müssen.
Die vorliegende Arbeit untersucht die Möglichkeiten und Herausforderungen breiterer SIMD-Register für die In-Memory Anfrageverarbeitung und inwiefern neue Befehlssatzerweiterungen genutzt werden können, um wichtige Herausforderungen in der Datenlevel paralleln Verarbeitung zu bewältigen.
Der dritte Trend, die zunehmende Ausdifferenzierung verfügbarer Hardware erschwert den konsistenten Einsatz von SIMD.
Unterschiedliche Funktionen, Datentypen und Konzepte verhindern eine einfache Portierung bereits optimierter Algorithmen.
Neue Funktionalitäten erfordern mitunter eine architekturspezifische Anpassung des gesamten Algorithmus um vorhandene Möglichkeiten bestmöglich auszunutzen.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, wird die im Rahmen dieser Dissertation entwickelte SIMD-Hardwareabstraktionsbibliothek namens Template SIMD Library (TSL) vorgestellt, die eine einheitliche Schnittstelle bereitstellt um auf einer Vielzahl von Architekturen mit unterschiedlichen Datentypen Datenlevel parallelität auszunutzen.
Darüber hinaus wird gezeigt, dass selbst moderne FPGAs vom SIMD-Paradigma profitieren und mit Hilfe von high-level synthesis Tools (HLS) wie Intels oneAPI programmiert werden können.
Das Potenzial von SIMD zur Beschleunigung der Verarbeitung auf FPGAs wird durch diverse Benchmarks von Datenbank-spezifischen Algorithmen auf zwei verschiedenen FPGA-Karten aufgezeigt und die erforderliche Funktionalität in die TSL integriert.
Während alle bisherigen Ansätze zum Einsatz von SIMD in der In-Memory Anfrageverarbeitung auf die Beschleunigung einzelner Anfragen abzielten, wird in der vorliegenden Arbeit ein neues Konzept zur Workload-Optimierung namens SIMQ vorgestellt.
Dieser Ansatz nutzt SIMD-Register als von der Hardware bereitgestellte Ressource, um gemeinsame Datenzugriffe unterschiedlicher Anfragen zusammenzuführen.:1 Introduction
1.1 Single Instruction Multiple Data (SIMD)
1.1.1 Utilizing SIMD
1.1.2 SIMD in OLAP Query Processing
1.2 Thesis Goals and Contributions
1.2.1 Implications of SIMD Advancements on Analytical Query Processing
1.2.2 Leveraging SIMD to Optimize OLAP Query Throughput
1.2.3 Embracing the Heterogeneity of SIMD-aware Hardware
1.3 Impact of Thesis Contributions
1.3.1 Publications of Thesis Contribution
1.3.2 Open Source Contributions
1.3.3 Further Publications
1.4 Structure of the Thesis
2 Evaluating the Vector Supercomputer SX-Aurora TSUBASA
2.1 Problem Statement
2.2 Hardware System SX-Aurora TSUBASA
2.2.1 Overall Architecture
2.2.2 Vector Processing and Specific Systems
2.2.3 Execution Model and Programming Approach
2.3 MorphStore — In-Memory Database System
2.4 Comparative Evaluation
2.4.1 Selected Investigated Operations
2.4.2 Experimental Setup and Methodology
2.4.3 Single-Thread Evaluation Results
2.4.4 Multi-Thread Evaluation Results
2.4.5 Summary
2.5 Future Work
2.6 Conclusion
3 Fighting Duplicates in Hashing
3.1 Problem Statement
3.2 Background
3.2.1 Linear Probing
3.2.2 State-of-the-Art Vectorized Implementation of Linear Probing
3.2.3 Novel SIMD Instructions
3.3 CD-aware Vectorized Implementation of Linear Probing
3.3.1 CD-aware Hash Table Data Structures
3.3.2 Handling of Bucket Duplicates
3.3.3 Handling of Key Duplicates
3.4 Experimental Evaluation
3.4.1 Evaluation Result for Hashing without Value Handling
3.4.2 Evaluation Results for Hashing with Value Handling
3.5 Related Work
3.6 Conclusion and Future Work
4 Leveraging SIMD to Optimize OLAP Query Throughput
4.1 Problem Statement
4.2 Background and Related Work
4.2.1 Vectorization in General
4.2.2 Vectorization in Database Systems
4.2.3 Work Sharing in Database Systems
4.3 Sharing Vector Registers
4.3.1 SISQ: Single Instruction Single Query
4.3.2 SIMQ: Single Instruction Multiple Queries
4.4 Evaluation
4.4.1 Single-Threaded Evaluation
4.4.2 Multi-Threaded Evaluation
4.5 Discussion
4.6 Conclusion
5 Program your (custom) SIMD instruction set on FPGA in C++
5.1 Problem Statement
5.2 FPGA Programming in C++
5.2.1 Naïve C++ programming
5.2.2 Data Parallel C++ programming.
5.2.3 Using specialized data types
5.2.4 Analyzing FPGA resources
5.2.5 Summary
5.3 Programming SIMD instruction set
5.3.1 Register Definition
5.3.2 Instruction Definition
5.3.3 Comparing with RTL kernels
5.4 Use Case Studies
5.4.1 FilterCount
5.4.2 Binary Packing
5.5 Custom SIMD instructions
5.6 DPC++ Best practices
5.7 Related Work
5.8 Conclusion
6 Mastering the SIMD Heterogeneity
6.1 Problem Statement
6.2 Background
6.2.1 Applicability
6.2.2 Evolving API
6.3 TSLGen - Generative Framework
6.3.1 General Concepts
6.3.2 Framework Description
6.4 Advanced Features
6.4.1 Test Generation
6.4.2 Build Environment Files Generation
6.4.3 Further Extensions
6.4.4 Toolsupport
6.5 Use-Case Studies
6.5.1 Case Studies Description
6.5.2 Applicability
6.5.3 Extensibility
6.6 Discussion
6.7 Related Work
6.8 Conclusion
7 Tutorial on SIMD - Foundations, Abstraction, and Advanced Techniques
7.1 Problem Statement
7.2 Foundations
7.3 Abstraction
7.4 Advanced Techniques
7.4.1 Wider SIMD Registers
7.4.2 Flexibly-Sized SIMD Registers
7.4.3 Partition-based SIMD Processing
7.4.4 Increasing Heterogeneity
7.5 Summar
Prospektive Erfassung des SARS-CoV-2 Antikörperstatus bei Schüler:innen und Lehrer:innen in Ostsachsen im Rahmen der Corona- Pandemie in den Jahren 2020 und 2021
Get PDFInhalt der Dissertation sind die Ergebnisse der SchoolCoviDD19-Studie, welche von Mai 2020 bis Juli 2021 an ostsächsischen Schule durchgeführt wurde. Es wurde die Entwicklung der Seroprävalenz von SARS-CoV-2 bei Schüler:innen und Lehrer:innen, sowie der Verlauf der Dunkelziffer untersucht. Sekundär sollten Erkenntnisse über die Bedeutung von Bildungseinrichtungen auf das Transmissionsgeschehen in der Allgemeinbevölkerung gewonnen werden
Non-domestic building stock: linking dynamics and spatial distributions
Get PDFIn contrast to domestic buildings, the drivers influencing the stock dynamics (construction subtracted by demolition) of non-domestic buildings (NDB) have not yet been researched on a use-class basis. For the first time, due to elaborated data sets on construction and demolition of NDB in Germany, an in-depth analysis of causal relationships is provided at a subnational level. This paper investigates the cause–effect relationships between influencing variables and stock dynamics of the three quantitatively most relevant use classes of the German NDB stock: office buildings, industrial buildings and warehouses. Influencing variables on the development of the stock were first identified by means of expert interviews. Regions with high construction dynamics were identified. Within these highly dynamic regions, construction activity was correlated with influencing variables. A principal component analysis was used to examine the explanatory power of underlying, use-class-specific components of the variable set. The results show the particular importance of employment-related variables. They combine demographic, economic and wealth-related influences and allow for a distinction to be made in relation to functional non-domestic-use classes. For the first time, this confirms that different use classes of NDB are characterised by different influencing variables, and that these variables recur to uncorrelated overarching drivers
Entwurf einer Bewertungsmethodik von Elastomer- und Hydrolagermodellen zum Einsatz für die virtuelle Lastdatenermittlung
Get PDFStandardisierte Mehrkörpersimulationsmodelle von Aggregatelagern erweisen sich bei Anregungen hoher Lasten bis zu 20 kN und gleichzeitig hoher Frequenzen bis 15 Hz als fehlerhaft. In dieser Arbeit mit dem Titel: „Entwurf einer Bewertungsmethodik von Elastomer- und Hydrolagermodellen zum Einsatz für die virtuelle Lastdatenermittlung“, wird ein Bewertungskriterium für die Charakterisierung von Aggregatelagermodellen für die Lastdatenermittlung entwickelt. Dieses ist in der Lage die Frequenz, den Verlustwinkel und die dynamische Steifigkeit stochastischer Signale zu bestimmen. Mit dem entwickelten Bewertungskriterium werden standardmäßig eingesetzte Modelle von Elastomerlagern mit Prüfstandsmessdaten verglichen und auf ihre Abbildungsgüte untersucht. Weiterhin werden die Messdaten mit dem Bewertungskriterium auf Effekte und Eigenschaften des untersuchten Aggregatelagers analysiert. Aus den gewonnen Erkenntnissen wird ein Messplan zur verbesserten Parametrierung und weiterführenden Erforschung der Eigenschaften des untersuchten Aggregatelagers abgeleitet. Es wird ein neues Lagermodell entwickelt und in Zusammenarbeit mit Liu parametriert (2018). Im letzten Schritt wird das entwickelte Lagermodell mit dem in dieser Arbeit entwickelten Bewertungskriterium bewertet und mit den Standardmodellen verglichen.:Abbildungsverzeichnis IV
Tabellenverzeichnis VII
Formelzeichenverzeichnis VIII
Abkürzungsverzeichnis XI
1 Einleitung und Motivation 1
2 Grundlagen und Stand der Technik 4
2.1 Eigenschaften von Elastomer- und Hydrolagern 4
2.1.1 Elastomerlager 4
2.1.2 Hydrolager 11
2.2 Elastomerlagermodelle 12
2.2.1 Bushing (BUS) 13
2.2.2 Universal Bushing (UBS) 14
2.3 Lastdatenermittlung der Aggregatelager 15
2.4 Bewertung stochastischer Signale 19
3 Bewertungskriterien 24
3.1 Fehlerverteilung 24
3.2 Kriterium Ersatzgrößen 25
3.2.1 Ersatzfrequenz 27
3.2.2 Ersatzverlustwinkel 29
3.2.3 Ersatzsteifigkeit 31
3.2.4 Mittlere Kraft und Ersatzamplitude 32
4 Modellbewertung 34
4.1 Einaxiale Anregung 35
4.2 Mehraxiale Anregung 42
4.3 Modellbewertung auf Gesamtfahrzeugebene 45
4.3.1 Gesamtfahrzeugmodell und Fahrmanöver 46
4.3.2 Modellbewertung 47
4.4 Zusammenfassung Modellbewertung 49
5 Messdatenanalyse 51
5.1 Einaxiale Anregung 51
5.2 Mehraxiale Anregung 60
5.3 Zusammenfassung und Forschungsfragen 64
6 Messdatenauswertung 67
6.1 Einaxiale dynamische Messungen 67
6.2 Vorlast- und Amplitudensprung 68
6.3 Kopplung der Freiheitsgrade 71
7 Lagermodellentwicklung Extended Universal Bushing 74
7.1 Aufbau Extended Universal Bushing (EUB) 74
7.2 Parameteridentifikation 75
7.3 Modellbewertung 75
7.3.1 Einaxiale Anregung 76
7.3.2 Mehraxiale Anregung 78
8 Zusammenfassung 81
9 Ausblick 83
9.1 Bewertungskriterium Ersatzgrößen 83
9.2 Extended Universal Bushing 83
Literaturverzeichnis X
Anhang XIII
A Kennfelder zur Kopplung der Freiheitsgrade XIII
B Messplan X
Stabilizing Ferroelectric Properties in Zirconia Thin Films
Get PDFIn the last decades, ferroelectric properties have been observed in thin films based on hafnia and zirconia. These fluorite-structured thin films have attracted significant interest due to their excellent compatibility with complementary metal-oxide-semiconductor technology. Undoped zirconia has a lower crystallization temperature compared to hafnia-based or HfxZr1-xO2 thin films, making it more attractive for back-end-of-line processes. However, it is commonly reported that undoped zirconia thin films exhibit antiferroelectric properties. When ferroelectric properties are observed in undoped zirconia thin films, they are not as remarkable as those of hafnia-based or HfxZr1-xO2 thin films.
In this work, in order to better understand the crucial factors that stabilize the ferroelectric properties in zirconia-based thin films, various process parameters were varied, and physical and electrical characterizations were carried out. The results indicate that the in-plane tensile strain is a crucial factor in stabilizing the ferroelectric orthorhombic phase of these films. The ferroelectric properties of zirconia films are lost when a non-polar monoclinic or tetragonal phase is stabilized due to an in-plane strain that is too small or too large, respectively. The best ferroelectric behavior is achieved when the polar orthorhombic phase can be stabilized with an in-plane tensile strain of 0.4-0.6%. After optimizing the interfaces between the ZrO2 and electrodes, the ferroelectric properties can be further improved in the ZrO2 thin films to be comparable to the HfO2-based ferroelectric thin films.:1 Motivation
2 Fundamentals
3 Experimental Setup
4 Effect of Process Parameters
5 Crucial Factors for Ferroelectric Zirconia
6 Conclusio
Applications of Invertible Neural Networks: From Outlier Detection to Solving Inverse Problems
Get PDFDeep learning algorithms often face limitations in terms of their reliability in domains such as autonomous driving and medical imaging. Although these models have achieved notable success in solving inverse problems, their typical unidirectional mapping can still limit their performance. Invertible Neural Networks (INNs) can address these shortcomings, thanks to their unique ability to maintain invertibility between input and output paradigms while estimating complex data distributions. This thesis investigates the application of INNs to address three distinct research problems. The first research problem focuses on developing robust methodologies for outlier detection within the computer vision tasks of image classification and object detection. To tackle this problem, I developed novel methods, each of which learned the inlier data distribution using INNs. For incorporating outlier awareness in the object detection pipeline in particular, I generated synthetic outlier data from the reverse direction of the learned INN model for contrastive training. The method was rigorously validated against existing state-of-the-art approaches, and it demonstrated superior performance in identifying outliers while even reducing false positives. The second research problem involves solving an inverse problem in current tomography by utilizing a simulation setup that mimics electrolysis for bubble detection, which is crucial for efficient hydrogen production. An INN-based model is developed to reconstruct higher-resolution conductivity maps from lower-resolution magnetic flux density measurements. The results show that compared to traditional linear models, INNs can more robustly reconstruct these maps against changes in the noise level of magnetic flux density between training and inference. The third research problem addresses the non-decomposability of conventional image fusion models. An INN based model has been developed that not only fuses source medical images but also decomposes the fused image back into the original source images, a task that was previously unexplored. All in all, these three research problems may seem distinct, but the proposed INN-based methods provide a unified approach to address them, advancing each domain and paving the way for future research and broader applications of INNs in other research domains
Assessment of the Impact of Recreational Activities on Lakeshore Vegetation in Terms of Species Diversity, Spatial and Temporal Patterns
Get PDFDie anhaltenden Trends des Klimawandels, der Intensivierung der Landnutzung und der Verschmutzung üben Druck auf Seen aus, die als wertvolle Hotspots für die biologische Vielfalt in der Landschaft dienen. Trotz ihres inhärenten Wertes sind Seen nach wie vor wenig erforschte Ökosysteme. Auch für den Menschen sind Seen als Quelle der Erfrischung und Entspannung von großer Attraktivität. In einer Welt, in der Hitzeereignisse bei fortschreitender Verstädterung immer häufiger werden, könnte dieser Wert zunehmend an Bedeutung gewinnen. Während sich die Erholung in der Natur nachweislich positiv auf die geistige und körperliche Gesundheit des Menschen auswirkt, kann sie für die natürliche Umwelt und ihre Bewohner das Gegenteil bewirken. Studien zu diesem Thema haben gezeigt, dass die Erholung in Süßwasserökosystemen überwiegend negative Auswirkungen hat.
Die Seeufer stellen einen ökologisch wertvollen Übergangsbereich mit mehreren Lebensräumen und einem hohen Diversitätspotenzial dar. Die Vegetation spielt in diesem Ökosystem eine wesentliche Rolle als Lebensraum, Nahrungsquelle, Schutz, Struktur und Stabilität des Ufers. Die vorliegende Dissertation untersucht die Auswirkungen von Freizeitaktivitäten wie Schwimmen und Sonnenbaden auf die Ufervegetation. Die potenziellen Folgen dieser Aktivitäten könnten nachteilig sein, da die Störung der Vegetation das Funktionieren des gesamten Ökosystems „Seeufer” beeinträchtigen könnte.
Zur Beantwortung dieser Frage wurden drei Studien mit unterschiedlichen Gesichtspunkten und unterschiedlichem Detaillierungsgrad durchgeführt. Der erste Schritt umfasste eine standardisierte Literaturrecherche, um ein Verständnis für die vorhandene Literatur zu schaffen. Die darauf basierende Literaturanalyse umfasste Studien, die einen eindeutigen Zusammenhang zwischen einer Freizeitaktivität und den Auswirkungen auf den Organismus im Zusammenhang mit Süßwasser aufzeigten. Im Anschluss wurden zwei Feldstudien über die Ufervegetation von Seen mit Badenutzung durchgeführt. Dabei wurden unterschiedliche Methoden angewandt und verschiedene Aspekte der Vegetation erfasst. Die neun untersuchten Seen befinden sich im Naturpark Dahme-Heideseen, einem seenreichen Gebiet in unmittelbarer Nähe der deutschen Hauptstadt Berlin.
Im Rahmen der ersten Feldstudie wurden konventionelle, relevante Vegetationserhebungen an Badestellen und ungenutzten Kontrollabschnitten durchgeführt, um die Auswirkungen der Badegäste auf die Artenvielfalt und die Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften zu ermitteln. In der zweiten Studie wurde die moderne Technik des terrestrischen Laserscannings (TLS) eingesetzt, um die räumlichen und zeitlichen Auswirkungen von Freizeitaktivitäten auf die Vegetation zu ermitteln. Laserscans von Badestellen wurden vor und nach den Wochenenden im Laufe der Badesaison 2020 durchgeführt, um Veränderungen in der Belegung von Pflanzenflächen zu ermitteln, die sich aus dem in diesem Gebiet üblichen Wochenendtourismus ergeben. Zusätzlich zu den oben genannten Aufzeichnungen wurde auch die Anzahl der Besucher an jedem Wochenende und an jedem Standort dokumentiert und mit den Datensätzen korreliert.
Obgleich die Erholungsökologie ein aktives Forschungsfeld darstellt, sind die Auswirkungen der Freizeitgestaltung auf Seen nach wie vor nur unzureichend bekannt. In der vorhandenen Literatur sind bestimmte Aktivitäten, insbesondere das Spazierengehen, und bestimmte Organismengruppen, insbesondere Vögel, intensiver untersucht worden als andere. Säugetiere, Amphibien, Reptilien und Pflanzen sind nur in geringem Maße vertreten. In dieser Arbeit wurde der Versuch unternommen, die bestehende Wissenslücke bezüglich der Auswirkungen des Schwimmens auf die wichtige und schützenswerte Ufervegetation zu schließen. Die beiden empirischen Studien wurden an etablierten Badestellen durchgeführt, was einen Faktor darstellt, der die geringe Schwere der beobachteten Auswirkungen erklärt. Die Artenzusammensetzung der Vegetation wies Anzeichen einer Anpassung an die menschliche Nutzung auf, und die Untersuchung der TLS-Daten ergab keine signifikanten negativen Auswirkungen der Wochenendnutzung. Die Badestellen und die Kontrollstellen wiesen vergleichbare Veränderungen des Schilfvolumens auf, während die Vegetation des Sonnenbadebereichs nur minimale Veränderungen aufwies. Die TLS-Methode hat gezeigt, dass sie für Vegetationsanalysen geeignet ist, jedoch ist eine weitere Entwicklung geeigneter Analysemethoden erforderlich. Ein weiterer Faktor, der das Ausbleiben offensichtlicher Auswirkungen erklären könnte, sind die relativ geringen Besucherzahlen. Die derzeitige Besucherfrequenz scheint ein erträgliches Niveau darzustellen, und die Vegetation, die sich an die jahrzehntelange Nutzung angepasst hat, ist nicht in offensichtlicher Weise beeinträchtigt. Dies lässt den Schluss zu, dass keine sofortigen Maßnahmen erforderlich sind. Dennoch ist ein kontinuierliches Monitoring unabdingbar, da höhere Besucherzahlen schwerwiegende Auswirkungen haben könnten, die es zu beobachten und gegebenenfalls Maßnahmen zu ergreifen gilt.The ongoing trends in climate change, land use intensification and pollution exert pressure on lakes, which serve as valuable biodiversity hotspots in the landscape. Despite their intrinsic value, lakes remain understudied ecosystems. Lakes are also highly attractive for humans as a source of refreshment and recreation. This value may become increasingly important in a world where heat events are becoming more frequent as urbanization continues unabated. While recreation in nature has been shown to be beneficial for people's mental and physical health, it can have the opposite effect on the natural environment and its inhabitants. Indeed, studies on this subject have indicated that recreation in freshwater ecosystems has predominantly negative impacts. Lakeshores represent a valuable ecotone with multiple habitats and a high potential for diversity. The vegetation plays a vital role in this ecosystem by providing habitat, food, shelter and structure for many organisms and stability to the shoreline. This dissertation focuses on the overall question of how recreational activities such as swimming and associated sunbathing affect the shoreline vegetation. The potential consequences of these activities could be detrimental, as disturbance of the vegetation could affect the functioning of the entire lakeshore ecosystem.
In order to answer this question, three studies with different viewpoints and varying levels of detail have been conducted. The initial step was a standardized literature review, creating an understanding of the existing body of literature on the relationship between recreational activities and the impact on organisms in the context of freshwaters. Subsequently, two field studies on lakeshore vegetation were conducted on nine lakes in the Nature Park Dahme-Heideseen, employing different methods and recording various aspects of the vegetation. This study region was selected because it encompasses an area rich in lakes in the immediate vicinity of the German capital Berlin.
The first field study employed conventional, relevé-based vegetation sampling of bathing sites and unused control sites with the objective of detecting the impact of bathers on plant species cover, diversity and community composition. The second study utilized the modern technique of terrestrial laser scanning (TLS) to determine the spatial and temporal effects of recreational activities on vegetation. Laser scans of bathing sites were conducted before and after weekends over the course of the 2020 bathing season to identify changes in plant space occupation resulting from weekend recreational use common in the area. In addition to the aforementioned recordings, the number of visitors on each weekend and at each site was also documented and correlated with the data sets.
Although recreation ecology is an active field of research, the effects of recreational activities on lakes remain poorly understood. In the existing literature, certain activities, particularly walking, and certain groups of organisms, particularly birds, have been studied more thoroughly than others. The representation of mammals, amphibia, reptiles and plants is notably limited. This thesis attempts to fill the existing the knowledge gap regarding the effects of swimming on vital shoreline vegetation. The two empirical studies were conducted at established bathing sites, which is one factor explaining the low severity of the observed effects. The plant species composition showed signs of adaptation to human use, and the analyses of the TLS data revealed no significant negative effects of this kind of weekend usage. The bathing and control sites exhibited comparable changes in reed volume, while the vegetation of the sunbathing areas showed minimal changes. The TLS method has been found to be suitable for vegetation analysis; however, further development of suitable analyzing methods is required. Another factor that may explain the lack of obvious effects is the relatively low number of visitors. The current visitor density appears to be at an acceptable level and the vegetation, which has adapted to decades of use, is not obviously affected in the short term, suggesting that no immediate management action is required. Nevertheless, continued monitoring is essential as higher visitor numbers could have serious consequences that need to be monitored and measures taken if necessary
Bibel und KI: Einführung in eine KI- und computergestützte Exegese
No full textDie Learning Resource befasst sich mit der KI-gestützten sowie digitalen Analyse biblischer Text. Sie stellt Datenbanken, Tools, KI-Chatbots sowie Tools und Methoden zur kritischen Exegese vor
Evaluating decentralised ventilation system efficiency for indoor radon mitigation: data analysis of long-term monitoring and insights from CFD modelling
No full textRadon-222 ist ein natürlich vorkommendes Edelgas, das sich in Innenräumen anreichern und die Radonaktivitätskonzentration deutlich erhöhen kann. Eine erhöhte Radonaktivitätskonzentration gilt als wesentlicher Risikofaktor für die Entstehung von Lungenkrebs. In dieser Dissertation, entstanden im Rahmen des Forschungsprojekts RadonVENT, wird die Wirksamkeit eines dezentralen Lüftungssystems mit Wärmerückgewinnung zur Senkung der Radonaktivitätskonzentration in Wohnräumen untersucht. Ziel ist die Unterschreitung des gesetzlichen Referenzwerts von 300 Bq/m³ für den Jahresmittelwert der Radonaktivitätskonzentration in Wohn- und Arbeitsräumen innerhalb von Radonvorsorgegebieten.
Das Lüftungssystem wurde in einer unbewohnten Erdgeschosswohnung in Aue-Bad Schlema (Deutschland) installiert, in der zuvor Radonaktivitätskonzentrationen von bis zu 8.000 Bq/m³ gemessen wurden. Die Leistung des Systems wurde durch kontinuierliche Messungen der Radonaktivitätskonzentration in allen Räumen sowie durch wöchentliche Betriebs- und Pausenzyklen bewertet. Dabei wurden zusätzlich Umweltdaten erfasst, um tägliche und saisonale Schwankungen der Radonaktivitätskonzentration zu berücksichtigen. Zur Validierung und Erweiterung der experimentellen Ergebnisse wurde ein maßstabsgetreues 3D-CFD-Modell entwickelt, das die Luftströmung und den Radontransport unter Annahme eines stationären, inkompressiblen k-ε-Turbulenzmodells simuliert.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Lüftungssystem die Radonaktivitätskonzentration in allen Räumen um bis zu 80 % senken kann – abhängig von der ursprünglichen Belastung und den gewählten Lüftungseinstellungen. Darüber hinaus wird die Radonaktivitätskonzentration in Innenräumen maßgeblich durch geologische, meteorologische und gebäudetechnische Faktoren beeinflusst. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis des Radonverhaltens in Gebäuden bei und bieten eine fundierte Grundlage für die Planung individueller Lüftungslösungen zur Radonsanierung
Retrospektive Untersuchung zum Auftreten von Komplikationen bei der Anwendung von Larynxtuben im Rahmen von präklinischen Reanimationen durch nicht- ärztliches Rettungsdienstpersonal
No full textHintergrund: Durch die Entwicklungen in der SARS-Cov-2 Pandemie wurde die Anwendung von SGAH, insbesondere des LTX, zur schnellen und leichten Atemwegssicherung sowie zur Minimierung des Infektionsrisikos neu in den Mittelpunkt der wissenschaftlichen Diskussion gerückt. Ziel der vorliegenden Studie war es, die Probleme und Komplikationen bei der LTX- Einlage sowie den Einfluss des Erfahrungsstandes des nichtärztlichen RD-Personals auf den Erfolg der LTX-Einlage in realen notfallmedizinischen Situationen zu untersuchen.
Fragestellung/Hypothese: Haupthypothese: Die Anzahl der Anwendungen des LTX durch das RD-Personal in der Vergangenheit hat keinen signifikanten Einfluss auf das Auftreten von Komplikationen bei der LTX-Einlage. Nebenhypothese: Es gibt keinen signifikanten Zusammenhang zwischen den Jahren der Erhebung der FB und dem Erfolg bzw. dem Auftreten von Komplikationen bei der LTX-Einlage.
Material und Methoden: Es wurden anonymisierte FB zum präklinischen Einsatz von Larynxtuben im Rahmen von Reanimationen des RD (KV-München) aus den Jahren 2007- 2011 und 2017-2020 retrospektiv ausgewertet. Die FB wurden ausschließlich durch speziell ausgebildetes, nicht-ärztliches Rettungsdienstpersonal der 13 Rettungswachen des Kreisverbands München ausgefüllt. Die FB wurden digitalisiert, nach Jahren sortiert und bezüglich aufgetretener Komplikationen untersucht und ausgewertet.
Ergebnisse: Die untersuchten Daten lassen keinen Zusammenhang zwischen der Anzahl der vorherigen LTX-Anwendungen und der Anzahl an aufgetretenen bzw. dokumentierten Komplikationen zu. Insgesamt verliefen in der vorliegenden Untersuchung 70,04% der 474 LTX-Einlagen erfolgreich bzw. ohne das Auftreten von Komplikationen. Bei Betrachtung der Entwicklung der Komplikationen über die Anwendungsjahre des LTX zeigte sich eine signifikante Abnahme der Komplikationen um 12,77% zwischen den Zeiträumen 2009-2011 und 2017-2019. Komplikationen mit der Abdichtung des LTX wurden am häufigsten beschrieben.
Schlussfolgerung: Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung zeigen somit, dass die Anwendung des LTX im Rahmen von Reanimationen im RD in den letzten Jahren unabhängig von der Anzahl vorheriger Anwendungen deutlich sicherer geworden ist. Dazu beigetragen haben möglicherweise Änderungen in der Ausbildung des RD-Personals auf Grundlage der ERC-Leitlinien zum präklinischen Atemwegsmanagement sowie die Weiterentwicklung des im Jahr 2014 eingeführten LTX geführt. Eine regelmäßige Schulung des RD-Personals nach den aktuellen wissenschaftlichen Standards ist die Quintessenz für den Erfolg der LTX-Einlage. Zukünftig sind weitere Studien zur LTX- Einlage unter realen notfallmedizinischen Bedingungen notwendig, um die Sicherheit bei der Anwendung des LTX weiter zu verbessern und die vermutlich bestehenden Vorteile durch die Anwendung bei Covid-19 Patientinnen und Patienten weiter zu untersuchen.:Inhaltsverzeichnis:
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einführung
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Geschichte des Atemwegsmanagement
2.2 Anatomie und Physiologie der Atemwege
2.3 Anatomie und Physiologie der Lunge
2.3.1 Atemmechanik
2.3.2 Überdruckbeatmung
2.4 Indikation zur Einlage einer Atemwegssicherung
2.5 Der Larynxtubus
2.6 Infektionsschutz durch Atemwegssicherung
3 Zielsetzung der Untersuchung
4 Material und Methoden
4.1 Studiendesign
4.2 Regionale Struktur der Untersuchung
4.3 Ethikkommission
4.4 Studienpopulation
4.4.1 Ausbildung des Rettungsdienstpersonals
4.5 Einsatz des Larynxtubus in der Studienpopulation
4.6 Aufbau der Fragebögen zur Dokumentation der Larynxtubus-Anwendungen
4.7 Fragestellung
4.8 Auswertung der Daten
4.8.1 Datenverarbeitung
4.8.2 Clusterung der beschriebenen Komplikationen
4.8.3 Ein- und Ausschlusskriterien der Fragebögen
4.9 Statistische Auswertung
4.9.1 Hauptfragestellung
4.9.2 Nebenfragestellung
5 Ergebnisse
5.1 Probenumfang
5.2 Hauptfragestellung
5.3 Nebenfragestellung
5.3.1 Jahr der Datenerhebung
5.3.2 Art der Komplikationen
5.4 Studienergebnisse im Überblick
6 Diskussion
6.1.1 Zusammenfassung
6.2 Diskussion der Studien- bzw. Beobachtungsmethoden
6.2.1 Datenmenge
6.2.2 Untersuchungsbedingungen
6.3 Interpretation der Ergebnisse
6.3.1 Erfolg Einlage
6.3.2 Einfluss Erfahrung
6.3.3 Komplikationen
6.3.4 Anwendungsjahre
6.3.5 Weitere Atemwegshilfen in der Gesamtübersicht
6.4 Limitationen
7 Zusammenfassung
8 Summary
9 Literaturverzeichnis
10 Anlage
10.1 Anlage 1: Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens
10.2 Anlage 2: Bestätigung über Einhaltung der aktuellen gesetzlichen Vorgabe