Technische Universität Dresden: Qucosa
Not a member yet
16344 research outputs found
Sort by
Interdisziplinäre Integration von Anforderungserfassung und Variantenkonfiguration in der Prozessindustrie
No full textDie zunehmende Komplexität bei der Planung und der Konfiguration von Anlagen in der Pro-zessindustrie stellt Ingenieure vor erhebliche Herausforderungen, insbesondere in Bezug auf die interdisziplinäre Zusammenarbeit und die Erfassung von Kundenanforderungen. In dieser Dissertation werden Methoden entwickelt, die in drei Phasen gegliedert sind und mithilfe von KI-Algorithmen und Optimierungsverfahren bestehende Probleme im Variantenmanagement, bei der Anforderungserfassung und in der Konfiguration adressieren.
In der ersten Phase wird eine Methode zur Erstellung einer interdisziplinären Variantenstücklis-te entwickelt. Diese integriert heterogen spezifizierte Merkmale und Strukturbeschreibungen der Anlage aus verschiedenen Disziplinen, z. B. der Mechanik und der Verfahrenstechnik, und harmonisiert sie. Diese Harmonisierung schafft eine konsistente Datengrundlage, die die spä-tere Erfassung der Anforderungen vereinfacht und Interoperabilitätsprobleme zwischen den Disziplinen löst.
In der zweiten Phase wird der Fokus auf die effiziente Erfassung von Kundenanforderungen gelegt. Aufbauend auf der interdisziplinären Variantenstückliste wird eine KI-basierte Methode zur Identifizierung einer dynamischen Fragereihenfolge und zur Generierung personalisierter Fragen für die Anforderungserfassung entwickelt. Die optimierte Fragereihenfolge erleichtert die Interaktion mit dem Kunden und reduziert den Aufwand für die Anforderungserfassung. Zudem ermöglicht die Methode, durch gezielte „Engineer-to-Order“-Spezifikationen Anforde-rungen zu erfüllen, die durch bestehende Varianten nicht abgedeckt werden.
In der dritten Phase erfolgt die Variantenkonfiguration. Kundenanforderungen werden mit den bestehenden Varianten abgeglichen, um die optimale Konfiguration basierend auf den Präfe-renzen des Kunden zu ermitteln. Durch iterative Optimierungsverfahren wird sichergestellt, dass möglichst wenige Anpassungen an den bestehenden Varianten nötig sind. Parallel zur Konfiguration der Stückliste wird ein passendes Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema semiautomatisch generiert.
Die Validierung der entwickelten Methoden bestätigt eine signifikante Steigerung von Effizienz und Präzision in der Harmonisierung von Merkmalsspezifikationen, der Anforderungserfassung und der Variantenkonfiguration. Insbesondere die dynamische Fragesequenz zur Anforde-rungserfassung und die eingesetzten Optimierungsansätze zur Variantenkonfiguration tragen erheblich dazu bei, den zeitlichen Aufwand zu reduzieren und Fehlerquellen im Prozess zu minimieren.
Die Arbeit liefert somit Lösungen zur Steigerung der Effizienz in der Anlagenplanung. Zukünfti-ge Forschung kann darauf abzielen, die Methoden weiter zu automatisieren und auch auf an-dere Disziplinen wie die Automatisierungstechnik oder Elektrotechnik auszuweiten.:Inhaltsverzeichnis
Abstract i
Kurzfassung ii
Danksagung iii
Inhaltsverzeichnis iv
Abbildungsverzeichnis vi
Tabellenverzeichnis ix
Abkürzungsverzeichnis xi
1 Einleitung 1
1.1 Ausgangssituation 1
1.2 Problemstellung 2
1.3 Zielsetzung 3
1.4 Forschungslücken und Forschungsfragen 4
1.5 Aufbau der Dissertation 6
2 Stand der Forschung und Technik 7
2.1 Prozessindustrie und verfahrenstechnische Anlagen 7
2.2 Datenmanagement 8
2.2.1 Produktdatenmanagement 8
2.2.2 Anlagendatenmanagement 9
2.2.3 Assets und Merkmale 10
2.2.4 Stücklistenmanagement 12
2.2.5 Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema 17
2.3 Variantenmanagement 18
2.4 Anforderungsmanagement 21
2.5 Variantenkonfiguration 23
2.6 Künstliche Intelligenz und heuristische Methoden 26
2.6.1 Grundlagen künstlicher Intelligenz und heuristischer Methoden 26
2.6.2 Entscheidungsbäume und Monte-Carlo-Baumsuche 27
2.6.3 Branch-and-Bound-Algorithmus 30
2.6.4 Genetischer Algorithmus 32
2.6.5 Verarbeitung natürlicher Sprache 32
3 Interdisziplinäre Integration von Anforderungserfassung und Variantenkonfiguration in der Prozessindustrie 37
3.1 Anwendungsbereich und Ansatz der Methode 37
3.2 Entwicklung eines interdisziplinären Variantenmanagements (Phase 1) 40
3.2.1 Konsolidierung heterogener Merkmale 40
3.2.2 Konsolidierung der interdisziplinären Variantenstückliste 47
3.3 Erfassung von Kundenanforderungen (Phase 2) 52
3.3.1 Optimierung der Fragereihenfolge zur Anforderungserfassung 52
3.3.1.1 Anforderungserfassung als Optimierungsproblem 52
3.3.1.2 Modellierung von Antwortoptionen auf Fragen zur Anforderungserfassung 55
3.3.1.3 Optimierung der Fragereihenfolge zur Anforderungserfassung 56
3.3.2 Generierung von Fragen zur Anforderungserfassung in natürlicher Sprache 63
3.3.3 Engineer to Order Spezifikation 73
3.4 Kundenspezifische Variantenkonfiguration (Phase 3) 79
3.4.1 Ableitung anforderungskonformer Varianten 79
3.4.2 Differenzierung von Optimierungsstrategien bei der Konfiguration 81
3.4.3 Anwendung von Optimierungsalgorithmen zur Stücklistenkonfiguration 83
3.4.3.1 Aufbereitung der Stücklistendaten für eine optimierte Konfiguration 83
3.4.3.2 Genetischer Algorithmus für schnelle Konfigurationsergebnisse 86
3.4.3.3 Branch-and-Bound-Algorithmus für optimale Konfigurationsergebnisse 88
3.4.4 Konfiguration eines Rohrleitungs- und Instrumentenfließschemas der Anlage 89
3.5 Ergebnisse der Methodenentwicklung 93
4 Anwendung und Validierung der Methoden 95
4.1 Vorgehen zur Generierung quantifizierbarer Validierungsergebnisse 95
4.2 Validierung der Methoden für ein interdisziplinäres Variantenmanagement 98
4.3 Validierung der Methoden zur Erfassung der Kundenanforderungen 103
4.3.1 Validierung der MCTS-gestützten Identifizierung der Fragereihenfolge 103
4.3.2 Validierung der Anforderungserfassung durch das CARE-Modell und ETO-Spezifikation durch das ETO-Advisor-Modell 110
4.4 Validierung der Methoden zur kundenspezifischen Konfiguration 116
4.4.1 Validierung der kundenspezifischen Konfiguration 116
4.4.2 Validierung der Erstellung eines R&I-Fließschemas der konfigurierten Anlage 119
5 Zusammenfassung und Ausblick 122
5.1 Zusammenfassung 122
5.2 Ausblick 124
Literaturverzeichnis 126
Stichwortverzeichnis 141
Anhang A – Wissenschaftlich-technischer Anhang 143
Anhang B – Administrative und formale Dokumentation 154Increasing complexity in the planning and configuration of process industry plants has present-ed engineers with significant challenges, particularly regarding interdisciplinary collaboration and the collection of customer requirements. In this dissertation, methods are developed that are divided into three phases and use AI algorithms and optimization methods to address exist-ing problems in variant management, requirements engineering and configuration. In the first phase, a method for creating an interdisciplinary variant bill of materials is developed. This method integrates heterogeneously specified characteristics and structural descriptions of the plant from various disciplines, such as mechanics and process engineering, and harmonizes them. This harmonization creates a consistent data foundation, which simplifies the subse-quent collection of requirements and resolves interoperability issues between disciplines.
The second phase focuses on the efficient collection of customer requirements. Building on the interdisciplinary variant bill of materials, an AI-based method is developed to identify a dynamic question sequence and generate personalized questions for requirements collection. The opti-mized question sequence facilitates interaction with the customer and reduces the effort re-quired for gathering requirements. Additionally, the method enables the fulfillment of require-ments not covered by existing variants through targeted 'Engineer-to-Order' specifications.
In the third phase, variant configuration occurs. Customer requirements are matched with exist-ing variants to determine the optimal configuration based on the customer's preferences. Itera-tive optimization ensures that the fewest possible adjustments to existing variants are required. In parallel with the configuration of the bill of materials, a corresponding piping and instrumen-tation diagram is generated semi-automatically.
The validation of the developed methods confirms a significant increase in efficiency and preci-sion in the harmonization of feature specifications, requirements capture and variant configura-tion. In particular, the dynamic question sequence for requirements elicitation and the optimiza-tion approaches used for variant configuration make a significant contribution to reducing the time required and minimizing sources of error in the process.
The work thus provides solutions for increasing efficiency in system planning. Future research can aim to further automate the methods and extend them to other disciplines such as automa-tion technology or electrical engineering.:Inhaltsverzeichnis
Abstract i
Kurzfassung ii
Danksagung iii
Inhaltsverzeichnis iv
Abbildungsverzeichnis vi
Tabellenverzeichnis ix
Abkürzungsverzeichnis xi
1 Einleitung 1
1.1 Ausgangssituation 1
1.2 Problemstellung 2
1.3 Zielsetzung 3
1.4 Forschungslücken und Forschungsfragen 4
1.5 Aufbau der Dissertation 6
2 Stand der Forschung und Technik 7
2.1 Prozessindustrie und verfahrenstechnische Anlagen 7
2.2 Datenmanagement 8
2.2.1 Produktdatenmanagement 8
2.2.2 Anlagendatenmanagement 9
2.2.3 Assets und Merkmale 10
2.2.4 Stücklistenmanagement 12
2.2.5 Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema 17
2.3 Variantenmanagement 18
2.4 Anforderungsmanagement 21
2.5 Variantenkonfiguration 23
2.6 Künstliche Intelligenz und heuristische Methoden 26
2.6.1 Grundlagen künstlicher Intelligenz und heuristischer Methoden 26
2.6.2 Entscheidungsbäume und Monte-Carlo-Baumsuche 27
2.6.3 Branch-and-Bound-Algorithmus 30
2.6.4 Genetischer Algorithmus 32
2.6.5 Verarbeitung natürlicher Sprache 32
3 Interdisziplinäre Integration von Anforderungserfassung und Variantenkonfiguration in der Prozessindustrie 37
3.1 Anwendungsbereich und Ansatz der Methode 37
3.2 Entwicklung eines interdisziplinären Variantenmanagements (Phase 1) 40
3.2.1 Konsolidierung heterogener Merkmale 40
3.2.2 Konsolidierung der interdisziplinären Variantenstückliste 47
3.3 Erfassung von Kundenanforderungen (Phase 2) 52
3.3.1 Optimierung der Fragereihenfolge zur Anforderungserfassung 52
3.3.1.1 Anforderungserfassung als Optimierungsproblem 52
3.3.1.2 Modellierung von Antwortoptionen auf Fragen zur Anforderungserfassung 55
3.3.1.3 Optimierung der Fragereihenfolge zur Anforderungserfassung 56
3.3.2 Generierung von Fragen zur Anforderungserfassung in natürlicher Sprache 63
3.3.3 Engineer to Order Spezifikation 73
3.4 Kundenspezifische Variantenkonfiguration (Phase 3) 79
3.4.1 Ableitung anforderungskonformer Varianten 79
3.4.2 Differenzierung von Optimierungsstrategien bei der Konfiguration 81
3.4.3 Anwendung von Optimierungsalgorithmen zur Stücklistenkonfiguration 83
3.4.3.1 Aufbereitung der Stücklistendaten für eine optimierte Konfiguration 83
3.4.3.2 Genetischer Algorithmus für schnelle Konfigurationsergebnisse 86
3.4.3.3 Branch-and-Bound-Algorithmus für optimale Konfigurationsergebnisse 88
3.4.4 Konfiguration eines Rohrleitungs- und Instrumentenfließschemas der Anlage 89
3.5 Ergebnisse der Methodenentwicklung 93
4 Anwendung und Validierung der Methoden 95
4.1 Vorgehen zur Generierung quantifizierbarer Validierungsergebnisse 95
4.2 Validierung der Methoden für ein interdisziplinäres Variantenmanagement 98
4.3 Validierung der Methoden zur Erfassung der Kundenanforderungen 103
4.3.1 Validierung der MCTS-gestützten Identifizierung der Fragereihenfolge 103
4.3.2 Validierung der Anforderungserfassung durch das CARE-Modell und ETO-Spezifikation durch das ETO-Advisor-Modell 110
4.4 Validierung der Methoden zur kundenspezifischen Konfiguration 116
4.4.1 Validierung der kundenspezifischen Konfiguration 116
4.4.2 Validierung der Erstellung eines R&I-Fließschemas der konfigurierten Anlage 119
5 Zusammenfassung und Ausblick 122
5.1 Zusammenfassung 122
5.2 Ausblick 124
Literaturverzeichnis 126
Stichwortverzeichnis 141
Anhang A – Wissenschaftlich-technischer Anhang 143
Anhang B – Administrative und formale Dokumentation 15
Untersuchung des Wärmetransports von beheizten Weichen im Bahnverkehr zum Optimieren des Heizbetriebs
No full textWeichenheizungen besitzen in der Bahninfrastruktur die Aufgabe, die Stellbarkeit von Weichen auch unter herausfordernden Wetterbedingungen z. B. in der Winterzeit zu erhalten. Elektrische Weichenheizungen mit resistiven Heizstäben sind die häufigste Anwendungsform von Weichenheizungen in Europa. Die Heizstäbe werden meist mit Klemmen am Fuß der Backenschiene installiert. Dabei zeigen die Erfahrungen der Bahnunternehmen jedoch, dass trotz arbeitender Weichenheizung die Stellbarkeit der Weichen nicht unter allen Wetterbedingungen gewährleistet werden kann. Das beeinträchtigt die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Infrastruktur und damit des Bahnverkehrs, obwohl eine sehr große Menge an Energie für die Beheizung von Weichen auf-gewendet wird.
Damit mögliche Maßnahmen zum Optimieren der Beheizung von Weichen analysiert werden können, muss zunächst der Wärmetransport und die sich daraus ergebende Temperaturverteilung in beheizten Weichen untersucht werden. Dafür wird mit der Wärmenetzmethode ein Berechnungsmodell der Weiche erstellt. Eine Weiche ist ein aus mehreren Bauteilen bestehendes System. Die wesentlichen Bauteile sind: Backenschiene, Zungenschiene, Rippenplatte, Gleitstuhl und Schwelle. Es ist vorteilhaft, zunächst für jedes Bauteil ein separates Wärmenetzmodell zu erstellen. In Erwärmungsversuchen der separaten Bauteile werden anschließend die bislang nicht bekannten thermischen Parameter bestimmt. Dazu gehören die spezifische Wärmeleitfähigkeit, der Emissions-grad und die Parameter für die Ähnlichkeitsfunktionen der Konvektion. Für ein Wärmenetzmodell der Weiche werden die Teilnetzwerke der Bauteile miteinander verknüpft. An den Verknüpfungsstellen ist der Wärmetransport zunächst unbekannt. Der Erwärmungsversuch an einer Modellweiche unter Laborbedingungen ermöglicht es, den Wärmetransport an den Verknüpfungsstellen zu bestimmen. Im nächsten Schritt werden die Windgeschwindigkeit, die Windrichtung, die Global- und Himmelsstrahlung und Regen bzw. Schneefall als Parameter für Wetterbedingungen in das Wärme-netzmodell implementiert. An einem Vergleich von unter Freiluftbedingungen gemessenen Temperaturen und mit dem Wärmenetzmodell berechneten Temperaturen kann die Genauigkeit des Wärmenetzmodells verifiziert werden.
Eine Analyse der Temperaturverteilung mit dem Wärmenetzmodell der Weiche zeigt, dass bereits bei Umgebungstemperaturen kleiner gleich 0 °C eine Windgeschwindigkeit von 15 km/h oder größer dazu führt, dass mit der untersuchten Beheizung eine Temperatur von 2 °C nicht mehr an der Zungenschiene erreicht werden kann und so die Weiche nicht mehr effektiv beheizt wird. Das gleiche Resultat wird bei 0 °C Umgebungstemperatur und starkem Regen oder bei -5 °C Umgebungstemperatur und Schneefall erzielt. Konstruktive Maßnahmen wie ein größerer thermischer Widerstand zwischen Rippenplatte und Schwelle durch eine Modifikation der verwendeten Kunst-stoffplatte oder eine thermische Isolierung der Backenschiene können den Wärmetransport von der Backenschiene zur Zungenschiene nicht wesentlich verbessern. Ein an der Zungenschiene zusätzlich installierter Heizstab kann hingegen zu einer deutlich günstigeren Temperaturverteilung in der Weiche führen. Mit dieser Optimierung können alle betrachteten Szenarien an Umgebungsbedingungen effektiv beheizt werden. Zusätzlich reduziert sich der jeweilige Heizleistungsbedarf um bis zu 70 %. Ein zusätzlicher Heizstab an der Zungenschiene erhöht also die Effektivität und Effizienz beim Be-heizen von Weichen erheblich.
Bei elektrischen Weichenheizungen mit Heizstäben wird ein möglichst großer Anteil an Wärme angestrebt, der vom Heizstab direkt in die Schiene transportiert wird. Der Heizstab wird meist mit Klemmen mit einer Breite von 35 mm und in einem Abstand von 30 cm zueinander an der Backenschiene befestigt. Es soll im weiteren Teil dieser Arbeit untersucht werden, ob der Wärmetransport vom Heizstab in die Schiene durch Vergrößern der Klemmkraft oder durch Oberflächenbehandlungen der Schiene vergrößert werden kann. Um diese Zusammenhänge zu untersuchen, muss zunächst der Be-reich ermittelt werden, in dem die Klemmkraft von den Klemmen bereitgestellt wird. Dafür wird ein modifizierter Zugversuch verwendet. Die Messungen zeigen, dass die Klemmkraft bei neuwertigen Klemmen ca. 72 N beträgt. Thermische und mechanische Belastungen können die Klemmkraft über eine Zeitdauer von 10.000 h auf bis zu 61 N reduzieren.
Mit einem selbst konzeptionierten Versuchsstand wird der spezifische thermische Kontaktwiderstand zwischen Heizstab und Schiene abhängig von der Verbindungskraft und von der Oberflächenbehandlung der Schiene gemessen. Für die Messung wird nur der Bereich berücksichtigt, an dem sich die Klemme befindet. Dabei zeigt sich, dass für eine Verbindungskraft größer 10 N keine signifikante Abhängigkeit des spezifischen thermischen Kontaktwiderstands von der Verbindungskraft existiert. Weiterhin sind die spezifischen thermischen Kontaktwiderstände für die Schiene mit Vorbehandlung mit 0,2 mK m² / W (bei Verwendung einer Wärmeleitpaste oder gefräster Schienenoberfläche) und 0,5 mK m² / W (bei Verwendung einer Wärmeleitpaste und gefräster Schienenoberfläche) deutlich niedriger als bei der unbehandelten Schiene mit 0,65 mK m² / W.
Im Bereich zwischen zwei Klemmen kann der spezifische thermische Kontaktwider-stand zwischen Heizstab und Schiene deutlich größer sein. Mit einem FEM-Modell von Schiene und Heizstab wird die Temperaturverteilung an beiden Bauteilen abhängig von variablen spezifischen thermischen Kontaktwiderständen im Bereich an den Klemmen und im Bereich zwischen den Klemmen ermittelt. Es zeigt sich, dass die Temperaturen in der Schiene nur eine sehr geringe Sensitivität hinsichtlich der spezifischen thermischen Kontaktwiderstände zwischen Heizstab und Schiene besitzen. Die Temperaturverteilung im Heizstab ist hingegen stark abhängig von den spezifischen thermischen Kontaktwiderständen. Ein hoher spezifischer thermischer Kontaktwiderstand im Bereich zwischen den Klemmen kann im Heizstab zu Temperaturen von über 500 °C führen und so die Lebensdauer des Heizstabs deutlich reduzieren. Ein verringerter Ab-stand zwischen den Klemmen durch eine höhere Anzahl an Klemmen oder durch breitere Klemmen kann diese Gefahr reduzieren.:Vorwort I
Kurzfassung II
Abstract IV
Inhaltsverzeichnis VI
Formelzeichen, Konstanten und Abkürzungen VIII
1 Einleitung 1
2 Stand der Technik 2
2.1 Aufbau einer Weiche 2
2.1.1 Überblick 2
2.1.2 Form von Backenschiene und Zungenschiene 4
2.1.3 Material der Schienen 6
2.2 Beheizen von Weichen 7
3 Berechnen von Erwärmungsvorgängen 10
3.1 Grundlagen der Wärmeübertragung 10
3.1.1 Wärmeleitung 10
3.1.2 Konvektion 11
3.1.3 Wärmestrahlung 13
3.2 Thermischer Kontakt 16
3.3 Phasenübergang fest – flüssig 18
3.4 Erwärmungsberechnung 19
3.5 Messen von Temperaturen 21
4 Präzisieren der Aufgabenstellung 23
5 Erwärmung einer Modellweiche 25
5.1 Aufbau des Wärmenetzmodells 25
5.1.1 Aufbau des Wärmenetzmodells der Backenschiene 26
5.1.2 Experimentelle Verifikation des Wärmenetzmodells der Backenschiene 29
5.1.3 Implementieren des longitudinalen Wärmetransports 31
5.1.4 Aufbau des separaten Wärmenetzmodells des Heizstabs 32
5.1.5 Aufbau des separaten Wärmenetzmodells der Zungenschiene 34
5.1.6 Aufbau des separaten Wärmenetzmodells von Rippenplatte und Gleitstuhl 37
5.1.7 Aufbau des separaten Wärmenetzmodells der Schwelle 40
5.1.8 Zusammenfügen der separaten Wärmenetzmodelle 43
5.1.9 Experimentelle Verifikation unter Laborbedingungen 47
5.2 Messen der Erwärmung im Freifeldversuch 51
5.2.1 Implementieren der Wettereinflüsse 51
5.2.2 Verifizieren des Wärmenetzmodells der Weiche 54
5.3 Untersuchungen der Erwärmung der Weiche mit dem Wärmenetzmodell für ausgewählte Szenarien 57
5.3.1 Bestimmen einer effektiven Heizleistung 57
5.3.2 Untersuchungen von konstruktiven Änderungen der Weiche mit dem Wärmenetzmodell 58
6 Untersuchung der Verbindungskraft zwischen Heizstab und Schiene 64
6.1 Analyse der Klemmkraft 69
6.2 Einfluss mechanischer und thermischer Belastung auf die Klemmkraft 72
7 Untersuchung des Wärmeübergangs zwischen Heizstab und Schiene 75
7.1 Messen des thermischen Kontaktwiderstands in Abhängigkeit von Verbindungskraft und Oberflächenbeschaffenheit 76
7.1.1 Planung des Versuchsstands 77
7.1.2 Bestimmen des thermischen Kontaktwiderstands 83
7.2 Übertragung der Messergebnisse auf einen montierten Heizstab 91
7.3 Rechnerische Analyse verschiedener Verteilungen des spezifischen thermischen Kontaktwiderstands 94
8 Zusammenfassung 99
9 Ausblick 102
Literatur 105
Anhang 11
Towards the application of prompt-gamma imaging in online adaptive proton therapy
No full textDie online-adaptive Protonentherapie (OAPT) ist ein vielversprechender und intensiv erforschter Ansatz, der die Vorteile der Protonentherapie gegenüber der konventionellen Strahlentherapie weiter verstärkt, insbesondere in Bezug auf Präzision und Schonung des gesunden Gewebes. Um potenzielle Unsicherheiten zu berücksichtigen, erfordert die OAPT eine zusätzliche Verifikationsmethode, wobei sich die Prompt-Gamma-Bildgebung (engl. prompt-gamma imaging, PGI) als besonders vielversprechend erwiesen hat. Diese Dissertation hatte zum Ziel, PGI für die Anwendung in der OAPT weiterzuentwickeln. Der PGI-Workflow wurde wesentlich optimiert und erfolgreich für PGI-Messungen innerhalb einer laufenden Patientenstudie implementiert, wodurch die Grundlage für eine effiziente Nutzung von PGI in der OAPT geschaffen wurde. PGI dient nicht nur als Sicherheitsmechanismus zur Qualitätssicherung, sondern bietet auch das Potenzial für eine deutliche Reduktion der Sicherheitssäume. So hat sich in dieser Arbeit gezeigt, dass die Reichweitenunsicherheit für Prostatakrebspatienten durch den Einsatz von PGI von 7 auf 3 mm reduziert werden könnte. Darüber hinaus konnte die Eignung von PGI als Verifikationsmethode auch für die auf Kegelstrahl-Computertomographie basierende OAPT nachgewiesen werden. Schließlich bestätigte ein direkter Vergleich zwischen PGI und Range Probing (Funktionsprinzip analog zur Protonenradiographie) in einem simultanen Versuchsaufbau ihre Kompatibilität in einer klinischen Umgebung, verdeutlichte die spezifischen Vorteile beider Systeme und unterstrich ihre entscheidende Rolle als Sicherheitsmechanismen in der OAPT.:Contents
List of acronyms vii
List of figures ix
List of tables x
1 Introduction 1
2 Basics of online adaptive proton therapy (OAPT) 5
2.1 Proton therapy 5
2.1.1 Imaging for proton therapy 6
2.1.2 Treatment planning for proton therapy 9
2.1.3 Uncertainties in proton therapy and the need for OAPT 11
2.2 Principles and challenges of OAPT 13
2.2.1 Imaging in OAPT 14
2.2.2 Adaptation in OAPT 17
2.2.3 Verification in OAPT 19
3 Treatment verification with prompt-gamma imaging (PGI) 25
3.1 Second generation PGI slit camera 25
3.1.1 Operating principle and camera design 25
3.1.2 PGI simulation 27
3.1.3 Processing of measurement signals 28
3.2 Initial workflow for range retrieval 28
3.2.1 Determination of the camera position 28
3.2.2 Spot sorting 30
3.2.3 Range shift evaluation 30
3.2.4 Ground truth definition 32
3.3 Improvements for the application in OAPT 33
3.3.1 Improved processes for measurement preparation and evaluation 33
3.3.2 Improved ground truth evaluation 36
4 Potential margin reduction when using PGI for online treatment verification 39
4.1 Study design 39
v
Contents
4.2 Investigation of margin reduction potential 40
4.2.1 Reference Scenario: Current clinical margins 40
4.2.2 Scenario A: Margin reduction with PGI for online treatment verification 41
4.2.3 Scenario B: Additional margin reduction using pre-treatment volumetric imaging along with PGI 43
4.3 Influence of reduced margins on dose parameters – a case study 44
4.4 Discussion 46
5 Online treatment verification with PGI for CBCT-based OAPT 49
5.1 Material and Methods 50
5.1.1 Imaging data 50
5.1.2 Treatment plans 51
5.1.3 PGI simulations 52
5.1.4 Dose calculation 53
5.2 Results
5.3 Discussion 60
6 Direct comparison of prompt-gamma imaging and range probing 63
6.1 Basic principle of range probing 63
6.2 Methods and Materials 64
6.2.1 PGI and RP system 64
6.2.2 Phantom data and delivered fields 65
6.2.3 Experimental setup 65
6.2.4 Evaluation 66
6.3 Results 72
6.3.1 Introduced anatomical changes 72
6.3.2 Introduced setup errors 73
6.4 Discussion 75
7 Summary 79
8 Zusammenfassung 83Online adaptive proton therapy (OAPT) is a highly promising and extensively investigated approach that further enhances the benefits of proton therapy over conventional radiation therapy, particularly in terms of precision and healthy tissue sparing. However, to address potential uncertainties, OAPT requires additional treatment verification, for which prompt-gamma imaging (PGI) has emerged as a particularly promising method. This thesis aimed to advance PGI for its application in OAPT. The PGI workflow was substantially enhanced and successfully implemented in ongoing PGI measurements within a patient study, laying the foundation for the efficient use of PGI in OAPT. PGI not only serves as a safety net for quality assurance but also exhibits the potential for substantial margin reduction. As shown in this work, range uncertainty margins for prostate cancer patients could be reduced from 7 to 3 mm with PGI. Additionally, PGI demonstrated its suitability as a treatment verification method also for cone-beam computed tomography-based OAPT. Lastly, a direct comparison between PGI and range probing in a simultaneous setup confirmed their compatibility in a clinical environment, highlighted the unique advantages of each system, and reinforced their critical role as safety mechanisms in OAPT.:Contents
List of acronyms vii
List of figures ix
List of tables x
1 Introduction 1
2 Basics of online adaptive proton therapy (OAPT) 5
2.1 Proton therapy 5
2.1.1 Imaging for proton therapy 6
2.1.2 Treatment planning for proton therapy 9
2.1.3 Uncertainties in proton therapy and the need for OAPT 11
2.2 Principles and challenges of OAPT 13
2.2.1 Imaging in OAPT 14
2.2.2 Adaptation in OAPT 17
2.2.3 Verification in OAPT 19
3 Treatment verification with prompt-gamma imaging (PGI) 25
3.1 Second generation PGI slit camera 25
3.1.1 Operating principle and camera design 25
3.1.2 PGI simulation 27
3.1.3 Processing of measurement signals 28
3.2 Initial workflow for range retrieval 28
3.2.1 Determination of the camera position 28
3.2.2 Spot sorting 30
3.2.3 Range shift evaluation 30
3.2.4 Ground truth definition 32
3.3 Improvements for the application in OAPT 33
3.3.1 Improved processes for measurement preparation and evaluation 33
3.3.2 Improved ground truth evaluation 36
4 Potential margin reduction when using PGI for online treatment verification 39
4.1 Study design 39
v
Contents
4.2 Investigation of margin reduction potential 40
4.2.1 Reference Scenario: Current clinical margins 40
4.2.2 Scenario A: Margin reduction with PGI for online treatment verification 41
4.2.3 Scenario B: Additional margin reduction using pre-treatment volumetric imaging along with PGI 43
4.3 Influence of reduced margins on dose parameters – a case study 44
4.4 Discussion 46
5 Online treatment verification with PGI for CBCT-based OAPT 49
5.1 Material and Methods 50
5.1.1 Imaging data 50
5.1.2 Treatment plans 51
5.1.3 PGI simulations 52
5.1.4 Dose calculation 53
5.2 Results
5.3 Discussion 60
6 Direct comparison of prompt-gamma imaging and range probing 63
6.1 Basic principle of range probing 63
6.2 Methods and Materials 64
6.2.1 PGI and RP system 64
6.2.2 Phantom data and delivered fields 65
6.2.3 Experimental setup 65
6.2.4 Evaluation 66
6.3 Results 72
6.3.1 Introduced anatomical changes 72
6.3.2 Introduced setup errors 73
6.4 Discussion 75
7 Summary 79
8 Zusammenfassung 8
Interoperable Lösungen für die ETCS-Streckenausrüstung an Landesgrenzen
No full textDie Einführung des European Train Control Systems (ETCS) verfolgt das Ziel, die Interoperabilität im europäischen Eisenbahnverkehr zu stärken und den grenzüberschreitenden Verkehr zu vereinfachen. Die Vielzahl der ETCS-Baselines, Systemversionen und nationalen Ausprägungen sowie komplexe Schnittstellen stellen jedoch signifikante Herausforderungen dar, insbesondere an den Landesgrenzen. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt eine Analyse des Ist-Zustandes der Übergänge an Landesgrenzen sowie die Aufstellung von expliziten Planungs- und Standardisierungsvorgaben für die Zukunft. Es kann festgestellt werden, dass die Übergänge in den Bereichen geltendes Recht, Bahnstrom, Leit- und Sicherungstechnik, Sprach- und Datenfunk, Betriebssprache sowie Betrieb in einer gegenseitigen Abhängigkeit zueinanderstehen. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine formalisierte Vorlage für einen binationalen Variantenvergleich der ETCS-Ausrüstungsvarianten, detaillierte Planungsabläufe sowie Mustervorlagen für die Transitionsspezifikation und das European Rail Traffic Management System (ERTMS) Cross-Border Agreement. Darüber hinaus werden konkrete Anforderungen und Lösungen dargelegt, um zukünftig die Interoperabilität von ETCS-Streckenausrüstungen an Landesgrenzen zu garantieren und eine Standardisierung weiter voranzutreiben. Von entscheidender Bedeutung ist eine konsequente Weiterentwicklung der Technischen Spezifikationen für Interoperabilität (TSI), um die praktische Umsetzbarkeit der Spezifikationen zu gewährleisten. Die ETCS-Ausrüstung der Grenzbetriebsstrecken stellt einen entscheidenden Faktor für die Etablierung eines einheitlichen europäischen Eisenbahnraums dar.:1 Einführung
1.1 Beitrag der Dissertation
1.2 Relevanz der Grenzbetriebsstrecken für die Interoperabilität in Europa
1.2.1 Erster und zweiter ERTMS Work Plan von Karel Vinck
1.2.2 Erster und zweiter ERTMS Work Plan von Matthias Ruete
1.3 Motivation für den einheitlichen europäischen Eisenbahnraum
1.4 Stand der Ausrüstungsprojekte an Landesgrenzen
2 Übergänge an Landesgrenzen
2.1 Nationales Recht
2.1.1 Entwicklung der Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung
2.1.2 Eisenbahn-Inbetriebnahmegenehmigungsverordnung
2.1.3 Rechtliche Dokumente für Grenzbetriebsstrecken
2.2 Bahnstrom
2.3 Streckenausrüstung der Leit- und Sicherungstechnik
2.4 Datenfunk
2.5 Sprachfunk
2.6 Betriebssprache
2.6.1 Kommunikation Tf–Fdl
2.6.2 Kommunikation Fdl–Fdl
2.6.3 Sprachliche Vorgaben im grenzüberschreitenden Bahnverkehr
2.6.4 Computergestützte Übersetzungssysteme im grenzüberschreitenden Bahnverkehr
2.7 Betriebliches Regelwerk
2.7.1 Regelgleis Links oder Rechts
2.7.2 Spurweiten in Europa
2.8 EVU-Sicht
3 Technische Grundlagen ETCS und Zugfunk
3.1 ETCS-Baukasten
3.1.1 Baselines
3.1.2 Systemversionen
3.1.3 ETCS Level
3.1.4 Betriebsarten
3.1.5 Nationale Werte
3.2 ETCS-Bremskurven und Überwachungsgeschwindigkeiten
3.2.1 Aktualisierung von Bremskurvenparametern mit direkten Auswirkungen auf die Bremskurvenschar
3.2.2 Vergleich des Gamma- und Lambda-Modells
3.2.3 Auftreten von Bremskurvensprüngen
3.2.4 Optionen zum Verhindern der Bremskurvensprünge
3.2.5 Statische Höchstgeschwindigkeiten je nach Betriebsart
3.3 Kompatibilität Strecke und Fahrzeug
3.3.1 Level NTC und STM
3.3.2 Auswertung der ETCS-Streckenausrüstung Systemversion X.Y
3.4 Zugfunk Standards für Sprach- und Datenfunk
3.4.1 Global System for Mobile Communications-Rail
3.4.2 Future Railway Mobile Communication System
3.4.3 Railway Mobile Radio
3.4.4 Umschaltung GSM-R-Sprachfunk an Landesgrenzen
3.4.5 GSM-R Fahrzeugausrüstung für ETCS
3.4.6 GSM-R-Netzeinwahl für ETCS
3.4.7 Umschaltung GSM-R-Datenfunk an Landesgrenzen
3.4.8 Umschaltung GSM-R mit Inter-PLMN-Handover
3.5 RBC-Verbindung
3.5.1 RBC-Funkaufbau (Session Management)
3.5.2 RBC-Wechsel (RBC Transition Order)
4 Ausrüstungsvarianten an Landesgrenzen
4.1 Schichtenmodell für einen Level 2-Übergang
4.2 Schichtenmodell Level 2-Übergang zu Level 1
4.2.1 Level 1 FS-Gateway
4.2.2 Level 1 LS-Gateway
4.3 Übersicht Vor- und Nachteile zur Bewertung der Varianten
4.3.1 L2-Übergang mit RBC-RBC-Kopplung SV 2.Y - SV 2.Y
4.3.2 L2-Übergang ohne RBC-RBC-Kopplung SV 2.Y - SV 1.0
4.3.3 L2-Übergang mit oder ohne RBC-RBC-Kopplung mit Inter PLMN-Handover
4.3.4 L1 FS-Gateway (L2-L1 FS-L2-Übergang)
4.3.5 L1 LS-Gateway (L2-L1 LS-L2-Übergang)
4.3.6 Balisengestützte Klasse B-Klasse B-Transition
4.4 Vorgehen Variantenuntersuchung ETCS-Streckenausrüstung für zwei beteiligte EIU
4.4.1 Formalisierter Erfassungsbogen für die Bewertung der Varianten
4.4.2 Darstellung der Variantenvergleiche in einem Netzdiagramm
5 Vorgehen bei der bilateralen ETCS-Planung
5.1 Beispiel schrittweise ETCS-Planung an Landesgrenzen
5.2 Planung der Grenzsignale inkl. ETCS-Pakete
5.3 Projektierung Inhalt Paket 3 (Nationale Werte)
5.4 Planung der ETCS-Track Conditions für den OLA-Systemwechsel
5.4.1 Paket 39 Track Condition Change of traction power
5.4.2 Paket 68 Track Condition
5.4.3 Planung ETCS-Track Conditions für den OLA-Systemwechsel
5.5 Erfolgsfaktoren für die bilaterale Planung
6 Anforderungen für die zukünftige Standardisierung
6.1 Anforderungen an das Recht
6.1.1 Anpassung der TEN-V-Verordnung
6.1.2 Anpassung der EBO
6.2 Anforderung für die Umschaltung des Bahnstroms
6.2.1 Track Condition konkretisieren
6.2.2 Definierte Fahrzeugreaktion
6.2.3 Verwendung Paket 39 und Paket 40
6.3 Anforderungen an die LST
6.3.1 RBC-Handover-Spezifikationen verfeinern
6.3.2 RBC-Changeover ohne RBC-RBC-Kommunikation legitimieren
6.3.3 Standards für L2oS Betriebsgrenztafeln festlegen
6.3.4 Einheitliches Lichtsignal für ETCS L1 FS einführen
6.3.5 Harmonisierung der Nationalen Werte
6.4 Anforderung an den Datenfunk
6.5 Anforderung an den Sprachfunk
6.6 Anforderung an die Betriebssprache
6.7 Anforderung an das betriebliche Regelwerk
6.8 Anforderungen aus EVU-Sicht
6.8.1 Balisen für Strecken ohne ETCS
6.8.2 Überarbeitung der Traktionssystemkennung NID_CTRACTION
7 ERTMS Cross-Border Agreement und Transitionsspezifikation
7.1 Standardisierte Vorlage für ERTMS Cross-Border Agreements sowie Transitionsspezifikationen
7.1.1 Mustergliederung ERTMS Cross-Border Agreement
7.1.2 Mustergliederung Transitionsspezifikation
8 Schlussfolgerungen und Bewertung der Ergebnisse
8.1 ETCS-Ausrüstungsvarianten
8.2 Verfahren zum Vorgehen bei der bilateralen Planung
8.3 Anforderungen und Lösungsansätze
8.3.1 Auswirkungen der Anforderungen und Lösungsansätze
8.3.2 Priorisierung der Anforderungen
8.4 Ausblick
9 Zusammenfassung
Abkürzungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Literaturverzeichnis
Anhang A: Glossar EN–DE DB für diese Dissertation
Anhang B: Übersetzte ETCS-Fachbegriffe: DB, ÖBB, SBB und CFL
Anhang C: Vorlage VariantenvergleichThe implementation of the European Train Control System (ETCS) aims to strengthen interoperability in European rail transport and to simplify cross-border traffic. However, the large number of ETCS baselines, system versions and national versions as well as complex interfaces pose significant challenges, particularly at national borders. This study analyses the status of crossings at national borders and sets out explicit planning and standardisation requirements for the future. It is found that crossings are interdependent in terms of regulation, traction power, control command and signalling, voice and data radio, operating language and operation. This thesis presents a formalised template for a binational comparison of ETCS equipment variants, detailed planning processes and sample templates for the transition specification and the European Rail Traffic Management System (ERTMS) Cross-Border Agreement. In addition, specific requirements and solutions are set out to ensure the future interoperability of ETCS trackside equipment and to drive forward standardisation. Consistent further development of the Technical Specifications for Interoperability (TSI) is essential to ensure the practical feasibility of the specifications. ETCS equipment on cross-border lines is a decisive factor in the creation of a Single European Railway Area.:1 Einführung
1.1 Beitrag der Dissertation
1.2 Relevanz der Grenzbetriebsstrecken für die Interoperabilität in Europa
1.2.1 Erster und zweiter ERTMS Work Plan von Karel Vinck
1.2.2 Erster und zweiter ERTMS Work Plan von Matthias Ruete
1.3 Motivation für den einheitlichen europäischen Eisenbahnraum
1.4 Stand der Ausrüstungsprojekte an Landesgrenzen
2 Übergänge an Landesgrenzen
2.1 Nationales Recht
2.1.1 Entwicklung der Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung
2.1.2 Eisenbahn-Inbetriebnahmegenehmigungsverordnung
2.1.3 Rechtliche Dokumente für Grenzbetriebsstrecken
2.2 Bahnstrom
2.3 Streckenausrüstung der Leit- und Sicherungstechnik
2.4 Datenfunk
2.5 Sprachfunk
2.6 Betriebssprache
2.6.1 Kommunikation Tf–Fdl
2.6.2 Kommunikation Fdl–Fdl
2.6.3 Sprachliche Vorgaben im grenzüberschreitenden Bahnverkehr
2.6.4 Computergestützte Übersetzungssysteme im grenzüberschreitenden Bahnverkehr
2.7 Betriebliches Regelwerk
2.7.1 Regelgleis Links oder Rechts
2.7.2 Spurweiten in Europa
2.8 EVU-Sicht
3 Technische Grundlagen ETCS und Zugfunk
3.1 ETCS-Baukasten
3.1.1 Baselines
3.1.2 Systemversionen
3.1.3 ETCS Level
3.1.4 Betriebsarten
3.1.5 Nationale Werte
3.2 ETCS-Bremskurven und Überwachungsgeschwindigkeiten
3.2.1 Aktualisierung von Bremskurvenparametern mit direkten Auswirkungen auf die Bremskurvenschar
3.2.2 Vergleich des Gamma- und Lambda-Modells
3.2.3 Auftreten von Bremskurvensprüngen
3.2.4 Optionen zum Verhindern der Bremskurvensprünge
3.2.5 Statische Höchstgeschwindigkeiten je nach Betriebsart
3.3 Kompatibilität Strecke und Fahrzeug
3.3.1 Level NTC und STM
3.3.2 Auswertung der ETCS-Streckenausrüstung Systemversion X.Y
3.4 Zugfunk Standards für Sprach- und Datenfunk
3.4.1 Global System for Mobile Communications-Rail
3.4.2 Future Railway Mobile Communication System
3.4.3 Railway Mobile Radio
3.4.4 Umschaltung GSM-R-Sprachfunk an Landesgrenzen
3.4.5 GSM-R Fahrzeugausrüstung für ETCS
3.4.6 GSM-R-Netzeinwahl für ETCS
3.4.7 Umschaltung GSM-R-Datenfunk an Landesgrenzen
3.4.8 Umschaltung GSM-R mit Inter-PLMN-Handover
3.5 RBC-Verbindung
3.5.1 RBC-Funkaufbau (Session Management)
3.5.2 RBC-Wechsel (RBC Transition Order)
4 Ausrüstungsvarianten an Landesgrenzen
4.1 Schichtenmodell für einen Level 2-Übergang
4.2 Schichtenmodell Level 2-Übergang zu Level 1
4.2.1 Level 1 FS-Gateway
4.2.2 Level 1 LS-Gateway
4.3 Übersicht Vor- und Nachteile zur Bewertung der Varianten
4.3.1 L2-Übergang mit RBC-RBC-Kopplung SV 2.Y - SV 2.Y
4.3.2 L2-Übergang ohne RBC-RBC-Kopplung SV 2.Y - SV 1.0
4.3.3 L2-Übergang mit oder ohne RBC-RBC-Kopplung mit Inter PLMN-Handover
4.3.4 L1 FS-Gateway (L2-L1 FS-L2-Übergang)
4.3.5 L1 LS-Gateway (L2-L1 LS-L2-Übergang)
4.3.6 Balisengestützte Klasse B-Klasse B-Transition
4.4 Vorgehen Variantenuntersuchung ETCS-Streckenausrüstung für zwei beteiligte EIU
4.4.1 Formalisierter Erfassungsbogen für die Bewertung der Varianten
4.4.2 Darstellung der Variantenvergleiche in einem Netzdiagramm
5 Vorgehen bei der bilateralen ETCS-Planung
5.1 Beispiel schrittweise ETCS-Planung an Landesgrenzen
5.2 Planung der Grenzsignale inkl. ETCS-Pakete
5.3 Projektierung Inhalt Paket 3 (Nationale Werte)
5.4 Planung der ETCS-Track Conditions für den OLA-Systemwechsel
5.4.1 Paket 39 Track Condition Change of traction power
5.4.2 Paket 68 Track Condition
5.4.3 Planung ETCS-Track Conditions für den OLA-Systemwechsel
5.5 Erfolgsfaktoren für die bilaterale Planung
6 Anforderungen für die zukünftige Standardisierung
6.1 Anforderungen an das Recht
6.1.1 Anpassung der TEN-V-Verordnung
6.1.2 Anpassung der EBO
6.2 Anforderung für die Umschaltung des Bahnstroms
6.2.1 Track Condition konkretisieren
6.2.2 Definierte Fahrzeugreaktion
6.2.3 Verwendung Paket 39 und Paket 40
6.3 Anforderungen an die LST
6.3.1 RBC-Handover-Spezifikationen verfeinern
6.3.2 RBC-Changeover ohne RBC-RBC-Kommunikation legitimieren
6.3.3 Standards für L2oS Betriebsgrenztafeln festlegen
6.3.4 Einheitliches Lichtsignal für ETCS L1 FS einführen
6.3.5 Harmonisierung der Nationalen Werte
6.4 Anforderung an den Datenfunk
6.5 Anforderung an den Sprachfunk
6.6 Anforderung an die Betriebssprache
6.7 Anforderung an das betriebliche Regelwerk
6.8 Anforderungen aus EVU-Sicht
6.8.1 Balisen für Strecken ohne ETCS
6.8.2 Überarbeitung der Traktionssystemkennung NID_CTRACTION
7 ERTMS Cross-Border Agreement und Transitionsspezifikation
7.1 Standardisierte Vorlage für ERTMS Cross-Border Agreements sowie Transitionsspezifikationen
7.1.1 Mustergliederung ERTMS Cross-Border Agreement
7.1.2 Mustergliederung Transitionsspezifikation
8 Schlussfolgerungen und Bewertung der Ergebnisse
8.1 ETCS-Ausrüstungsvarianten
8.2 Verfahren zum Vorgehen bei der bilateralen Planung
8.3 Anforderungen und Lösungsansätze
8.3.1 Auswirkungen der Anforderungen und Lösungsansätze
8.3.2 Priorisierung der Anforderungen
8.4 Ausblick
9 Zusammenfassung
Abkürzungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Literaturverzeichnis
Anhang A: Glossar EN–DE DB für diese Dissertation
Anhang B: Übersetzte ETCS-Fachbegriffe: DB, ÖBB, SBB und CFL
Anhang C: Vorlage Variantenvergleic
Early-time error evolution in high-dimensional chaotic systems with low dimension density
No full textSince the early 1990s, ensemble forecasting has been the standard in meteorology, estimating a mean forecast and its uncertainty by evolving slightly perturbed initial conditions. Originally, Monte Carlo methods were used, but the resulting trajectories often converged initially, an unexpected result in chaotic systems, where small differences typically amplify. The mechanisms behind this phenomenon and its implications for forecasting have not been adequately explored, and hence are investigated in this thesis. Three idealized models are developed to analyze the conditions that lead to early-time error contraction despite system instability. Contraction was found to occur when negative Lyapunov exponents dominate in magnitude or number. Additionally, the angle between eigenvectors is critical: larger angles promote contraction, while small ones can even lead to initial error growth exceeding typical exponential growth with the largest Lyapunov exponent. The theoretical findings are tested on two physical models: the Lorenz 96 system, which shows only faster than typical exponential error growth, and the Kuramoto-Sivashinsky system, where both effects appear, with contraction slightly prevailing. These results indicate that improving atmospheric models can indirectly positively improve the measurement uncertainties. The observed error contraction suggests that the bred vector methods may outperform singular vector approaches.:List of Figures VII
List of Abbreviations IX
1 Introduction - 11
2 Dynamical systems and their properties - 17
2.1 Discrete-time and continuous-time systems - 17
2.2 Dissipative systems - 20
2.3 Fixed points, periodic orbits and their stability - 22
2.4 Definition and key characteristics of strange attractors - 25
2.5 Lyapunov spectrum- 28
2.6 Fractal dimension of volumes of strange attractors - 30
2.7 Lyapunov function - 32
2.8 QR decomposition for calculation of Lyapunov spectra - 33
3 General numerical methods - 37
3.1 Geometric mean for error trajectories - 37
3.2 Details for QR decomposition - 38
4 Idealized systems - 41
4.1 Arnold cat map as discrete two-dimensional systems - 41
4.1.1 Definition of the model - 42
4.1.2 Dissipative system with normal Jacobian - 43
4.1.3 Dissipative system with non-normal Jacobian - 46
4.2 Coupled tent map as discrete high-dimensional system - 50
4.2.1 Definition of the model - 50
4.2.2 Adjusting spectrum and dimension density - 53
4.2.3 Zero coupling strength = 0 - 54
4.2.4 Nonzero coupling strength >0 - 56
4.3 Model for continuous-time systems - 59
4.3.1 Introduction of the model - 59
4.3.2 Two-dimensional orthogonal system - 62
4.3.3 Two-dimensional non-orthogonal system - 64
4.3.4 N-dimensional orthogonal system - 66
4.3.5 N-dimensional non-orthogonal system - 75
5 Physical systems - 81
5.1 Lorenz 96 model - 81
5.1.1 Definition and key characteristics of the model - 81
5.1.2 Global stability of the attractor - 82
5.1.3 Numerical details - 84
5.1.4 Lyapunov spectra and dimension density in dependence of the forcing - 85
5.1.5 Typical and atypical error curves - 87
5.2 Kuramoto-Sivashinsky model - 89
5.2.1 Definition and properties of the model - 89
5.2.2 Numerical details - 91
5.2.3 Lyapunov spectra and dimension density - 95
5.2.4 Analyzing error curves - 98
6 Summary and outlook - 103
Appendix - 109
A Arnold cat map - 109
A.1 Parameter for constant spectrum but different - 109
A.2 Ellipse equation for vector components - 110
B Model of continuous-time systems - 112
B.1 Eigenvectors in dependence of - 112
B.2 Average error curve for two-dimensional orthogonal system - 113
B.3 Average error curve for two-dimensional non-orthogonal system - 114
B.4 Standard deviation on the (−1)-sphere - 115
B.5 Expectation values on the rotated ellipsoid -117
B.6 Minimum and recurrence time for upper bounds of finite N-dimensional
orthogonal systems - 119
Bibliography - 121
Acknowledgements - 127Seit Anfang der 1990er Jahre ist die Ensemble-Vorhersage das Standardwerkzeug in der Meteorologie. Die Vorhersage und ihre Messunsicherheit werden durch die Entwicklung leicht gestörter Anfangsbedingungen geschätzt. Bei der ursprünglich genutzten Monte Carlo Methode konvergierten Trajektorien jedoch anfänglich, ein unerwartetes Ergebnis in chaotischen Systemen, in denen sich kleine Unterschiede typischerweise verstärken. Es werden drei idealisierte Modelle entwickelt, um die Bedingungen zu analysieren, die eine frühzeitige Fehlerkontraktion trotz Systeminstabilität ermöglichen. Die Kontraktion tritt auf, wenn negative Lyapunov Exponenten in ihrem Betrag oder in ihrer Anzahl dominieren. Außerdem ist der Winkel zwischen den Eigenvektoren entscheidend: größere Winkel fördern die Kontraktion, während kleine Winkel sogar zu einem anfänglichen Fehlerwachstum führen können, das das typische exponentielle Wachstum mit dem größten Lyapunov Exponenten übersteigt. Die theoretischen Erkenntnisse werden an zwei physikalischen Modellen getestet: dem Lorenz-96-System, das nur ein schnelleres als das typische exponentielle Fehlerwachstum zeigt, und dem Kuramoto-Sivashinsky-System, bei dem beide Effekte auftreten, wobei die Kontraktion leicht überwiegt. Diese Ergebnisse suggerieren, dass verbesserte Wettermodelle auch indirekt Messunsicherheiten verbessern könnten. Die beobachtete Fehlerkontraktion deutet darauf hin, dass die Methode der Bred Vectors die der Singular Vectors übertreffen könnte.:List of Figures VII
List of Abbreviations IX
1 Introduction - 11
2 Dynamical systems and their properties - 17
2.1 Discrete-time and continuous-time systems - 17
2.2 Dissipative systems - 20
2.3 Fixed points, periodic orbits and their stability - 22
2.4 Definition and key characteristics of strange attractors - 25
2.5 Lyapunov spectrum- 28
2.6 Fractal dimension of volumes of strange attractors - 30
2.7 Lyapunov function - 32
2.8 QR decomposition for calculation of Lyapunov spectra - 33
3 General numerical methods - 37
3.1 Geometric mean for error trajectories - 37
3.2 Details for QR decomposition - 38
4 Idealized systems - 41
4.1 Arnold cat map as discrete two-dimensional systems - 41
4.1.1 Definition of the model - 42
4.1.2 Dissipative system with normal Jacobian - 43
4.1.3 Dissipative system with non-normal Jacobian - 46
4.2 Coupled tent map as discrete high-dimensional system - 50
4.2.1 Definition of the model - 50
4.2.2 Adjusting spectrum and dimension density - 53
4.2.3 Zero coupling strength = 0 - 54
4.2.4 Nonzero coupling strength >0 - 56
4.3 Model for continuous-time systems - 59
4.3.1 Introduction of the model - 59
4.3.2 Two-dimensional orthogonal system - 62
4.3.3 Two-dimensional non-orthogonal system - 64
4.3.4 N-dimensional orthogonal system - 66
4.3.5 N-dimensional non-orthogonal system - 75
5 Physical systems - 81
5.1 Lorenz 96 model - 81
5.1.1 Definition and key characteristics of the model - 81
5.1.2 Global stability of the attractor - 82
5.1.3 Numerical details - 84
5.1.4 Lyapunov spectra and dimension density in dependence of the forcing - 85
5.1.5 Typical and atypical error curves - 87
5.2 Kuramoto-Sivashinsky model - 89
5.2.1 Definition and properties of the model - 89
5.2.2 Numerical details - 91
5.2.3 Lyapunov spectra and dimension density - 95
5.2.4 Analyzing error curves - 98
6 Summary and outlook - 103
Appendix - 109
A Arnold cat map - 109
A.1 Parameter for constant spectrum but different - 109
A.2 Ellipse equation for vector components - 110
B Model of continuous-time systems - 112
B.1 Eigenvectors in dependence of - 112
B.2 Average error curve for two-dimensional orthogonal system - 113
B.3 Average error curve for two-dimensional non-orthogonal system - 114
B.4 Standard deviation on the (−1)-sphere - 115
B.5 Expectation values on the rotated ellipsoid -117
B.6 Minimum and recurrence time for upper bounds of finite N-dimensional
orthogonal systems - 119
Bibliography - 121
Acknowledgements - 12
Monitoring of outlet glacier calving fronts using deep learning analysis of multispectral satellite imagery
No full textChanges of the ice sheets in Greenland and Antarctica have a significant effect on the global sea level. In order to predict future climate scenarios, it is essential to understand ice sheet processes and therefore to observe current changes. As ice sheet changes are strongly influenced by the dynamics of their outlet glaciers, an accurate and continuous monitoring of these outlet glaciers is of paramount importance. One outlet glacier process that has been identified as particularly important in this context is the change in calving front position. Consequently, calving front change data is of major importance. However, due to manual delineation, most current data sets are limited in either spatial coverage or temporal resolution.
This cumulative dissertation addresses this problem by applying deep learning to multispectral Landsat imagery in order to achieve accurate, robust and automated delineation of outlet glacier fronts. Throughout three publications, the developed processing system is presented, assessed and applied. The workflow is based on a convolutional neural network that is trained and tested using manually delineated calving front positions. The mean delineation error ranges from about 45 m to 75 m depending on the test data set. Thus, most automatically extracted glacier fronts are indistinguishable from manually digitised ones. Furthermore, the benefit of multispectral, topographic, and textural input features is assessed using a dropped-variable approach. The resulting feature importance assessment emphasises the utilization of multispectral inputs as they lead to more accurate predictions, especially under challenging situations such as difficult ice mélange conditions.
Eventually, this processing system is applied to outlet glaciers in Greenland and on the Antarctic Peninsula. The resulting Greenland data product contains 9243 calving front positions across 23 glaciers for the period 2013 to 2021 and the Antarctic Peninsula data product contains 4817 calving front positions across 42 glaciers for the period 2013 to 2023. Unlike most existing manually delineated products, these data sets reliably combine high temporal resolution with large spatial coverage. Derived time series resolve not only long-term and seasonal signals, but also sub-seasonal patterns. These data products will help to better understand the dynamics of outlet glaciers at intra-annual scales, study ice-ocean interactions in more detail, and constrain glacier models.
In future, comparable deep-learning based workflows are likely to become integral to the monitoring of glacier calving fronts. This thesis contributed to establishing a new link between deep learning, remote sensing and glaciology – a link that will persist in the long term.:1 Introduction
2 Outlet glaciers of ice sheets
2.1 Dynamics of outlet glaciers
2.2 Monitoring requirements
2.3 Satellite-based observation methods
3 Machine Learning in remote sensing
3.1 Fundamentals
3.1.1 Training
3.1.2 Models
3.1.3 Performance assessment and model optimisation
3.2 Deep learning: from perceptron to deep neural network
3.2.1 Multi-Layer Perceptron
3.2.2 Convolutional Neural Networks
3.3 Analysing remote sensing imagery using deep learning
4 Monitoring of calving front positions
4.1 Challenges and existing approaches
4.2 Existing data sets
5 Publications
6 Outlook
7 ConclusionsDie Veränderungen der Eisschilde in Grönland und der Antarktis haben einen erheblichen Einfluss auf den globalen Meeresspiegel. Um zukünftige Klimaszenarien genauer vorhersagen zu können, ist ein besseres Verständnis der Eisschildprozesse und damit die Beobachtung der aktuellen Veränderungen unerlässlich. Da die Veränderungen der Eisschilde stark von der Dynamik ihrer Auslassgletscher beeinflusst werden, ist ein genaues und kontinuierliches Monitoring dieser Auslassgletscher von hoher Bedeutung. Ein Prozess, der sich in diesem Zusammenhang als besonders wichtig erwiesen hat, ist die Veränderung der Lage der Gletscherfront. Daten über die Entwicklung dieser Gletscherfrontlagen sind daher von großer Bedeutung. Aufgrund der manuellen Digitalisierung, die für die Erstellung solcher Datensätze oft erforderlich ist, sind die meisten aktuellen Datensätze jedoch in ihrer räumlichen Abdeckung und zeitlichen Auflösung begrenzt.
Diese kumulative Dissertation befasst sich mit diesem Problem, indem Deep Learning auf multispektrale Landsat-Aufnahmen angewendet wird, um eine genaue, robuste und automatisierte Erfassung von Gletscherfrontlagen zu erreichen. In drei Publikationen wird das entwickelte Prozessierungssystem vorgestellt, evaluiert und angewendet.
Der Arbeitsablauf basiert auf einem convolutional neural network, welches mit manuell digitalisierten Gletscherfronten trainiert und getestet wird. Der mittlere Erfassungsfehler dieses Ansatzes liegt je nach Testdatensatz zwischen etwa 45 m und 75 m. Somit sind die meisten automatisch extrahierten Gletscherfronten nicht von den manuell digitalisierten zu unterscheiden. Zusätzlich wird der Nutzen von multispektralen, topografischen und texturalen Eingangsinformationen mithilfe eines dropped-variable-Ansatzes bewertet. Die daraus resultierenden Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Integration multispektraler Informationen, die insbesondere unter schwierigen Bedingungen, wie z. B. bei stark ausgeprägter ice mélange, zu genaueren Vorhersagen führen.
Dieses Prozessierungssystem wird schließlich auf Auslassgletscher in Grönland und auf der Antarktischen Halbinsel angewendet. Das daraus resultierende Datenprodukt für Grönland enthält 9243 Gletscherfrontlagen über 23 Gletscher für den Zeitraum 2013 bis 2021 und das Datenprodukt für die Antarktische Halbinsel enthält 4817 Gletscherfrontlagen über 42 Gletscher für den Zeitraum 2013 bis 2023. Im Gegensatz zu den meisten existierenden manuell digitalisierten Produkten kombinieren diese Datensätze zuverlässig eine hohe zeitliche Auflösung mit einer großen räumlichen Abdeckung. Die abgeleiteten Zeitreihen lösen nicht nur langfristige und saisonale Signale, sondern auch sub-saisonale Muster auf. Diese Datenprodukte werden zu einem besseren Verständnis der Dynamik von Auslassgletschern, der Eis-Ozean-Wechselwirkung und damit zu einer zuverlässigeren Eismodellierung beitragen.
In Zukunft werden vergleichbare, auf Deep Learning basierende Prozessierungsverfahren wahrscheinlich zu einem festen Bestandteil des Monitorings von Gletscherfrontlagen werden. Diese Arbeit hat dazu beigetragen, eine neue Brücke zwischen Deep Learning, Fernerkundung und Glaziologie zu schlagen – eine Brücke, die auch auf lange Sicht bestehen bleiben wird.:1 Introduction
2 Outlet glaciers of ice sheets
2.1 Dynamics of outlet glaciers
2.2 Monitoring requirements
2.3 Satellite-based observation methods
3 Machine Learning in remote sensing
3.1 Fundamentals
3.1.1 Training
3.1.2 Models
3.1.3 Performance assessment and model optimisation
3.2 Deep learning: from perceptron to deep neural network
3.2.1 Multi-Layer Perceptron
3.2.2 Convolutional Neural Networks
3.3 Analysing remote sensing imagery using deep learning
4 Monitoring of calving front positions
4.1 Challenges and existing approaches
4.2 Existing data sets
5 Publications
6 Outlook
7 Conclusion