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Fortgeschrittene Berechnungsansätze für die datengestützte Charakterisierung von Erdbeben-Bodenbewegungen und die schnelle Einschätzung von Erdbebenauswirkungen
No full textRapidly growing seismic and macroseismic databases and simplified access to advanced machine learning methods have in recent years opened up vast opportunities to address challenges in engineering and strong motion seismology from novel, datacentric perspectives. In this thesis, I explore the opportunities of such perspectives for the tasks of ground motion modeling and rapid earthquake impact assessment, tasks with major implications for long-term earthquake disaster mitigation.
In my first study, I utilize the rich strong motion database from the Kanto basin, Japan, and apply the U-Net artificial neural network architecture to develop a deep learning based ground motion model. The operational prototype provides statistical estimates of expected ground shaking, given descriptions of a specific earthquake source, wave propagation paths, and geophysical site conditions. The U-Net interprets ground motion data in its spatial context, potentially taking into account, for example, the geological properties in the vicinity of observation sites. Predictions of ground motion intensity are thereby calibrated to individual observation sites and earthquake locations.
The second study addresses the explicit incorporation of rupture forward directivity into ground motion modeling. Incorporation of this phenomenon, causing strong, pulse like ground shaking in the vicinity of earthquake sources, is usually associated with an intolerable increase in computational demand during probabilistic seismic hazard analysis (PSHA) calculations. I suggest an approach in which I utilize an artificial neural network to efficiently approximate the average, directivity-related adjustment to ground motion predictions for earthquake ruptures from the 2022 New Zealand National Seismic Hazard Model. The practical implementation in an actual PSHA calculation demonstrates the efficiency and operational readiness of my model. In a follow-up study, I present a proof of concept for an alternative strategy in which I target the generalizing applicability to ruptures other than those from the New Zealand National Seismic Hazard Model.
In the third study, I address the usability of pseudo-intensity reports obtained from macroseismic observations by non-expert citizens for rapid impact assessment. I demonstrate that the statistical properties of pseudo-intensity collections describing the intensity of shaking are correlated with the societal impact of earthquakes. In a second step, I develop a probabilistic model that, within minutes of an event, quantifies the probability of an earthquake to cause considerable societal impact. Under certain conditions, such a quick and preliminary method might be useful to support decision makers in their efforts to organize auxiliary measures for earthquake disaster response while results from more elaborate impact assessment frameworks are not yet available.
The application of machine learning methods to datasets that only partially reveal characteristics of Big Data, qualify the majority of results obtained in this thesis as explorative insights rather than ready-to-use solutions to real world problems. The practical usefulness of this work will be better assessed in the future by applying the approaches developed to growing and increasingly complex data sets.Das rapide Wachstum seismischer und makroseismischer Datenbanken und der vereinfachte Zugang zu fortschrittlichen Methoden aus dem Bereich des maschinellen Lernens haben in den letzen Jahren die datenfokussierte Betrachtung von Fragestellungen in der Seismologie ermöglicht. In dieser Arbeit erforsche ich das Potenzial solcher Betrachtungsweisen im Hinblick auf die Modellierung erdbebenbedingter Bodenerschütterungen und der raschen Einschätzung von gesellschaftlichen Erdbebenauswirkungen, Disziplinen von erheblicher Bedeutung für den langfristigen Erdbebenkatastrophenschutz in seismisch aktiven Regionen.
In meiner ersten Studie nutze ich die Vielzahl an Bodenbewegungsdaten aus der Kanto Region in Japan, sowie eine spezielle neuronale Netzwerkarchitektur (U-Net) um ein Bodenbewegungsmodell zu entwickeln. Der einsatzbereite Prototyp liefert auf Basis der Charakterisierung von Erdbebenherden, Wellenausbreitungspfaden und Bodenbeschaffenheiten statistische Schätzungen der zu erwartenden Bodenerschütterungen. Das U-Net interpretiert Bodenbewegungsdaten im räumlichen Kontext, sodass etwa die geologischen Beschaffenheiten in der Umgebung von Messstationen mit einbezogen werden können. Auch die absoluten Koordinaten von Erdbebenherden und Messstationen werden berücksichtigt.
Die zweite Studie behandelt die explizite Berücksichtigung richtungsabhängiger Verstärkungseffekte in der Bodenbewegungsmodellierung. Obwohl solche Effekte starke, impulsartige Erschütterungen in der Nähe von Erdbebenherden erzeugen, die eine erhebliche seismische Beanspruchung von Gebäuden darstellen, wird deren explizite Modellierung in der seismischen Gefährdungsabschätzung aufgrund des nicht vertretbaren Rechenaufwandes ausgelassen. Mit meinem, auf einem neuronalen Netzwerk basierenden, Ansatz schlage ich eine Methode vor, umdieses Vorhaben effizient für Erdbebenszenarien aus dem neuseeländischen seismischen Gefährdungsmodell für 2022 (NSHM) umzusetzen. Die Implementierung in einer seismischen Gefährdungsrechnung unterstreicht die Praktikabilität meines Modells. In einer anschließenden Machbarkeitsstudie untersuche ich einen alternativen Ansatz der auf die Anwendbarkeit auf beliebige Erdbebeszenarien abzielt.
Die abschließende dritte Studie befasst sich mit dem potenziellen Nutzen der von makroseismischen Beobachtungen abgeleiteten pseudo-Erschütterungsintensitäten für die rasche Abschätzung von gesellschaftlichen Erdbebenauswirkungen. Ich zeige, dass sich aus den Merkmalen solcher Daten Schlussfolgerungen über die gesellschaftlichen Folgen eines Erdbebens ableiten lassen. Basierend darauf formuliere ich ein statistisches Modell, welches innerhalb weniger Minuten nach einem Erdbeben die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten beachtlicher gesellschaftlicher Auswirkungen liefert. Ich komme zu dem Schluss, dass ein solches Modell, unter bestimmten Bedingungen, hilfreich sein könnte, um EntscheidungsträgerInnen in ihren Bestrebungen Hilfsmaßnahmen zu organisieren zu unterstützen.
Die Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens auf Datensätze die sich nur begrenzt als Big Data charakterisieren lassen, qualifizieren die Mehrheit der Ergebnisse dieser Arbeit als explorative Einblicke und weniger als einsatzbereite Lösungen für praktische Fragestellungen. Der praktische Nutzen dieser Arbeit wird sich in erst in Zukunft an der Anwendung der erarbeiteten Ansätze auf wachsende und zunehmend komplexe Datensätze final abschätzen lassen
Enhancing economic efficiency in modular production systems through deep reinforcement learning
No full textIn times of increasingly complex production processes and volatile customer demands, the production adaptability is crucial for a company's profitability and competitiveness. The ability to cope with rapidly changing customer requirements and unexpected internal and external events guarantees robust and efficient production processes, requiring a dedicated control concept at the shop floor level. Yet in today's practice, conventional control approaches remain in use, which may not keep up with the dynamic behaviour due to their scenario-specific and rigid properties. To address this challenge, deep learning methods were increasingly deployed due to their optimization and scalability properties. However, these approaches were often tested in specific operational applications and focused on technical performance indicators such as order tardiness or total throughput. In this paper, we propose a deep reinforcement learning based production control to optimize combined techno-financial performance measures. Based on pre-defined manufacturing modules that are supplied and operated by multiple agents, positive effects were observed in terms of increased revenue and reduced penalties due to lower throughput times and fewer delayed products. The combined modular and multi-staged approach as well as the distributed decision-making further leverage scalability and transferability to other scenarios
Design eines auf Hyperheuristiken basierenden Steuerungsframeworks für modulare Produktionssysteme
No full textVolatile supply and sales markets, coupled with increasing product individualization and complex production processes, present significant challenges for manufacturing companies. These must navigate and adapt to ever-shifting external and internal factors while ensuring robustness against process variabilities and unforeseen events. This has a pronounced impact on production control, which serves as the operational intersection between production planning and the shop- floor resources, and necessitates the capability to manage intricate process interdependencies effectively. Considering the increasing dynamics and product diversification, alongside the need to maintain constant production performances, the implementation of innovative control strategies becomes crucial.
In recent years, the integration of Industry 4.0 technologies and machine learning methods has gained prominence in addressing emerging challenges in production applications. Within this context, this cumulative thesis analyzes deep learning based production systems based on five publications. Particular attention is paid to the applications of deep reinforcement learning, aiming to explore its potential in dynamic control contexts. Analysis reveal that deep reinforcement learning excels in various applications, especially in dynamic production control tasks. Its efficacy can be attributed to its interactive learning and real-time operational model. However, despite its evident utility, there are notable structural, organizational, and algorithmic gaps in the prevailing research. A predominant portion of deep reinforcement learning based approaches is limited to specific job shop scenarios and often overlooks the potential synergies in combined resources. Furthermore, it highlights the rare implementation of multi-agent systems and semi-heterarchical systems in practical settings. A notable gap remains in the integration of deep reinforcement learning into a hyper-heuristic.
To bridge these research gaps, this thesis introduces a deep reinforcement learning based hyper- heuristic for the control of modular production systems, developed in accordance with the design science research methodology. Implemented within a semi-heterarchical multi-agent framework, this approach achieves a threefold reduction in control and optimisation complexity while ensuring high scalability, adaptability, and robustness of the system. In comparative benchmarks, this control methodology outperforms rule-based heuristics, reducing throughput times and tardiness, and effectively incorporates customer and order-centric metrics. The control artifact facilitates a rapid scenario generation, motivating for further research efforts and bridging the gap to real-world applications. The overarching goal is to foster a synergy between theoretical insights and practical solutions, thereby enriching scientific discourse and addressing current industrial challenges.Volatile Beschaffungs- und Absatzmärkte sowie eine zunehmende Produktindividualisierung konfrontieren Fertigungsunternehmen mit beträchtlichen Herausforderungen. Diese erfordern eine Anpassung der Produktion an sich ständig wechselnde externe Einflüsse und eine hohe Prozessrobustheit gegenüber unvorhersehbaren Schwankungen. Ein Schlüsselelement in diesem Kontext ist die Produktionssteuerung, die als operative Schnittstelle zwischen der Produktions- planung und den Fertigungsressourcen fungiert und eine effiziente Handhabung zahlreicher Prozessinterdependenzen sicherstellen muss. Angesichts dieser gesteigerten Produktionsdynamik und Produktvielfalt rücken innovative Steuerungsansätze in den Vordergrund.
In jüngerer Zeit wurden daher verstärkt Industrie-4.0-Ansätze und Methoden des maschinellen Lernens betrachtet. Im Kontext der aktuellen Forschung analysiert die vorliegende kumulative Arbeit Deep-Learning basierte Produktionssysteme anhand von fünf Publikationen. Hierbei wird ein besonderes Augenmerk auf die Anwendungen des Deep Reinforcement Learning gelegt, um dessen Potenzial zu ergründen. Die Untersuchungen zeigen, dass das Deep Reinforcement Learning in vielen Produktionsanwendungen sowohl herkömmlichen Ansätzen als auch an- deren Deep-Learning Werkzeugen überlegen ist. Diese Überlegenheit ergibt sich vor allem aus dem interaktiven Lernprinzip und der direkten Interaktion mit der Umwelt, was es für die dynamische Produktionssteuerung besonders geeignet macht. Dennoch werden strukturelle, organisatorische und algorithmische Forschungslücken identifiziert. Die überwiegende Mehrheit der untersuchten Ansätze fokussiert sich auf Werkstattfertigungen und vernachlässigt dabei potenzielle Prozesssynergien modularer Produktionssysteme. Ferner zeigt sich, dass Multi- Agenten- und Mehr-Ebenen-Systeme sowie die Kombination verschiedener algorithmischer Ansätze nur selten zur Anwendung kommen.
Um diese Forschungslücken zu adressieren, wird eine auf Deep Reinforcement Learning basierende Hyper-Heuristik für die Steuerung modularer Produktionssysteme vorgestellt, die nach der Design Science Research Methodology entwickelt wird. Ein semi-heterarchisches Multi-Agenten-System ermöglicht eine dreifache Reduktion der Steuerungs- und Optimierungs- komplexität und gewährleistet gleichzeitig eine hohe Systemadaptabilität und -robustheit. In Benchmarks übertrifft das Steuerungskonzept regelbasierte Ansätze, minimiert Durchlaufzeiten und Verspätungen und berücksichtigt kunden- sowie auftragsorientierte Kennzahlen. Die ent- wickelte Steuerungsmethodik ermöglicht einen schnellen Szenarienentwurf, um dadurch weitere Forschungsbemühungen zu stimulieren und die bestehende Transferlücke zur Realität weiter zu überbrücken. Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, eine Synergie zwischen theoretischen Erkenntnissen und Praxis-relevanten Lösungen zu schaffen, um sowohl den wissenschaftlichen Diskurs zu bereichern als auch Antworten auf aktuelle industrielle Herausforderungen zu bieten
Strafrecht in der alten Bundesrepublik 1949–1990. Besonderer Teil
No full textWährend zur Geschichte des Strafrechts in der alten Bundesrepublik bislang lediglich überblicksartige Gesamtdarstellungen und Monographien zu einzelnen Deliktsbereichen existierten, nimmt dieser Band einige prägnante Facetten des Besonderen Teils detailreich in den Blick und setzt damit das Projekt fort, das die Herausgeber 2020 mit dem bereits erschienenen Band zum Allgemeinen Teil begonnen haben. Auch hier interessieren die einzelnen Teilbereiche weniger dogmengeschichtlich als in ihrer Interaktion mit der Strafrechtswissenschaft, -praxis, -politik und gesellschaftlichen Veränderungen. Die individuellen Zugänge, die die Autorinnen und Autoren hierzu gesucht haben, sollen in ihrer methodischen Vielfalt durchaus als Experiment verstanden werden.While the history of criminal law in the „old“ Federal Republic of Germany has so far only been covered in general overviews and monographs on individual offence areas, this volume takes a detailed look at some concise facets of the Special Part and thus continues the project that the editors began in 2020 with the already published volume on the General Part. Here, too, the individual sections are of less interest in terms of dogmatic history than in their interaction with criminal law scholarship, practice, policy and social changes. The individual approaches that the authors have sought in this regard should certainly be understood as an experiment in their methodological diversity
Determinants and strategies to avoid esophageal and periesophageal complications in catheter ablation of atrial fibrillation
No full textDie interventionelle Behandlung des Vorhofflimmerns verursacht häufiger als in der Vergangenheit wahrgenommen eine Beeinträchtigung benachbarter Gewebe und Organe. Im Vordergrund der Betrachtungen dieser Arbeit stehen Schäden des Oesophagus, die aufgrund der schlechten Vorhersagbarkeit, des zeitlich verzögerten Auftretens und der fatalen Prognose bei Ausbildung einer atrio-oesophagealen Fistel besondere Relevanz haben.
Das Vorhofflimmern selbst ist nicht mit einer unmittelbaren vitalen Bedrohung verbunden, aber durch seine Komplikationen (z.B. Herzinsuffizienz, Schlaganfall) dennoch prognostisch relevant. Durch Antiarrhythmika gelingt keine Verbesserung der Rhythmuskontrolle (Arrhythmie-Freiheit), eine katheterinterventionelle Behandlung ist der medikamentösen Therapie überlegen. Durch eine frühzeitige und erfolgreiche Behandlung des Vorhofflimmerns konnte eine Verbesserung klinischer Endpunkte und der Prognose erreicht werden. Das Risiko einer invasiven Behandlung (insbesondere hinsichtlich des Auftretens prognoserelevanter Komplikationen) muss jedoch bei der Indikationsstellung und der Prozedur-Durchführung bedacht und gegenüber den günstigen Effekten der Behandlung abgewogen werden.
Untersuchungen zur Vermeidung der sehr seltenen atrio-oesophagealen Fisteln bedienen sich Surrogat-Parametern, hier bisher ausschließlich den ablationsinduzierten Schleimhaut-Läsionen des Oesophagus. Die Untersuchungen dieser Arbeit zeigen ein komplexeres Bild der (peri)-oesophagealen Schädigungen nach Vorhofflimmern-Ablation mit thermischen Energiequellen.
(1) Neue Definition der Oesophagus-Schäden: Oesophageale und perioesophageale Beeinträchtigungen treten sehr häufig auf (nach der hier verwendeten erweiterten Definition bei zwei Drittel der Patienten) und sind unabhängig von der verwendeten Ablationsenergie. Unterschiede finden sich in den Manifestationen der Oesophagus-Schäden für die verschiedenen Energie-Protokolle, ohne dass der Mechanismus hierfür aufgeklärt ist. Diese Arbeit beschreibt die unterschiedlichen Ausprägungen thermischer Oesophagus-Schäden, deren Determinanten und pathophysiologische Relevanz.
(2) Die Detektion (zum Teil subtiler) Oesophagus-Schäden ist maßgeblich von der Intensität der Nachsorge abhängig. Eine Beschränkung auf subjektive Schilderungen (z.B. Schmerzen beim Schluckakt, Sodbrennen) ist irreführend, die Mehrzahl der Veränderungen bleibt asymptomatisch, die Symptome der ausgebildeten atrio-oesophagealen Fistel (meist nach mehreren Wochen) bereits mit einer sehr schlechten Prognose belastet. Eine Endoskopie der Speiseröhre findet in den meisten elektrophysiologischen Zentren nicht oder nur bei anhaltenden Symptomen statt und kann ausschließlich Mukosa-Läsionen nachweisen. Damit wird das Ausmaß des oesophagealen und perioesophagealen Schadens bei Weitem unterschätzt. Veränderungen des perioesophagealen Raums, deren klinische Relevanz (noch) unklar ist, werden nicht erfasst, und damit ein Wandödem und Schäden im Gewebe zwischen linkem Vorhof und Speiseröhre (einschl. Nerven und Gefäßen) ignoriert.
Die Studien tragen auch zur Neubewertung etablierter Messgrößen und Risikofaktoren der Oesophagus-Schäden bei.
(3) Das Temperaturmonitoring im Oesophagus anhand der Maximalabweichungen ist erst für Extremwerte aussagekräftig und dadurch nicht hilfreich, Oesophagus-Läsionen zu vermeiden. Die komplexe Analyse der Temperatur-Rohdaten (bisher nur offline möglich) liefert in der AUC für RF-Ablationen einen prädiktiven Parameter für Oesophagus-Schäden, der eine Strukturierung der weiteren endoskopischen Diagnostik erlaubt. Ein vergleich¬barer Wert für die Cryoablationen konnte in den Analysen nicht gefunden werden.
(4) Eine chronische Entzündung des unteren Oesophagus-Drittels behindert nicht nur das Abheilen einer thermischen Oesophagus-Läsion, sondern kann das Auftreten solcher Läsionen durch die Ablation begünstigen. Die große Zahl vorbestehender Oesophagus-Veränderungen, die eine erhöhte Vulnerabilität anzeigen, und die Bedeutung für die Ent¬stehung thermischer Läsionen können der Ansatzpunkt präventiver Maßnahmen sein.
Ergänzend werden Ausprägungen der Oesophagus-Schäden durch umfangreiche Diagnostik erfasst und beschrieben, die aus pathophysiologischen Überlegungen relevant sein können.
(5) Die systematische Erweiterung der bildgebenden Diagnostik auf den perioesophagealen Raum durch Endosonographie zeigte, dass Schleimhaut-Läsionen alleine nur einen geringen Teil der Oesophagus-Schäden darstellen. Schleimhaut-Läsionen infolge einer instrumentellen Verletzung sind nicht mit dem Risiko der Ausbildung einer atrio-oesophagealen Fistel verbunden und unterstreichen die pathophysiologische Relevanz der perioesophagealen Veränderungen.
(6) Eine funktionelle Diagnostik thermischer Schäden des perioesophagealen Vagus-Plexus identifiziert Patienten mit Oesophagus-Schäden, die bildgebend nicht erfasst wurden, jedoch in ihren Auswirkungen (Nahrungsretention und gastro-oesophagealer Reflux) zur Läsionsprogression beitragen können.The interventional treatment of atrial fibrillation is associated with damage to adjacent tissues and organs more frequently than previously assumed. Damage to the esophagus is of particular interest due to its poor predictability, the late onset of symptoms and the fatal prognosis of atrio-esophageal fistula. Thus, esophageal damage is the focus of this synopsis.
Atrial fibrillation itself is not associated with life-threatening events but prognostically relevant on long-term due to its complications (e.g., heart failure and stroke). Antiarrhythmic drugs have not shown to improve rhythm control, and catheter ablation is superior to drug-based therapies. Early and effective treatment of atrial fibrillation has shown to improve clinical endpoints and prognosis, and, therefore, should be considered. However, the risk of any invasive procedure (especially facing complications with prognostic relevance) must be considered in treatment planning and balanced with the favorable effects of the procedure.
Scientific studies for the prevention of (very rare) atrio-esophageal fistula have to use surrogate parameters, in detail thermally induced mucosal lesions of the esophagus. Our studies show a more sophisticated and complex view on (peri)esophageal damage following PVI with thermic ablation tools.
(1) New definition of esophageal damage: Esophageal and periesophageal damage is common (with our expanded definition in two-thirds of patients) and independent of the thermal ablation energy used. However, there are differences in the manifestation of esophageal damage for the individual energy protocols, but the reason for these differences is not well understood. Our investigation discusses the different forms of thermally induced esophageal damage, their determinants and pathophysiological relevance.
(2) The probability to detect (partially subtile) esophageal damage depends on the intensity of workup. Limiting the assessment to subjective symptoms (e.g., discomfort with swallowing, heartburn) is misleading, the majority of the esophageal lesions remains asymptomatic, and the symptoms of full-blown atrio-esophageal fistula (after several weeks) are burdened with a very poor prognosis. Endoscopy following PVI is not performed in most electrophysiological centers and limited to the detection of mucosal lesions. Endoscopy underestimates the extent of esophageal and periesophageal damage by far. Damage of the periesophageal space is of unknown significance but not assessed at all, and with that, edema and injury of the tissue between left atrium and esophagus (including nerve fibers and vessels) is ignored.
Our studies contribute to a reappraisal of established parameters and risk factors of esophageal damage.
(3) Esophageal temperature monitoring predicts an increased risk of esophageal lesions only when excessive temperature rise is observed and is not helpful for prevention. The complex analysis of the raw temperature data identified the calculated AUC to be a better predictive parameter for esophageal damage (RF-energy protocols), thereby better identifying patients at risk for lesion generation and streamlining endoscopic workup following PVI. The analyses were not successful to identify a comparable parameter for cryoablation.
(4) Chronic inflammation of the lower esophageal third impairs healing of thermal esophageal lesions and may also promote the ablation-induced formation of such lesions. The high number of preexisting esophageal alterations indicating vulnerability, and their importance for thermal lesion formation may be a starting point for preventive steps.
In addition, extensive diagnostic workup identified manifestations of esophageal damage potentially contributing to esophageal lesion progression.
(5) Systematic workup with endoscopic ultrasound confirmed that mucosal lesions represent just a minor number of esophageal damage. Mucosal injury with a different patho¬physiology (e.g., instrumentally induced) is not associated with the risk of fistula formation, thereby highlighting the pathophysiological relevance of periesophageal alterations following catheter ablation.
(6) Functional assessment of thermic impairment of the periesophageal vagal plexus identified patients with esophageal damage not assessed by endoscopy and endoscopic ultrasound. Vagal nerve damage and its sequelae (food retention and gastroesophageal reflux) may contribute to esophageal lesion progression as well
Cosmic-Ray Neutron Sensing zur Messung der Bodenfeuchte
No full textWater stored in the unsaturated soil as soil moisture is a key component of the hydrological cycle influencing numerous hydrological processes including hydrometeorological extremes. Soil moisture influences flood generation processes and during droughts when precipitation is absent, it provides plant with transpirable water, thereby sustaining plant growth and survival in agriculture and natural ecosystems.
Soil moisture stored in deeper soil layers e.g. below 100 cm is of particular importance for providing plant transpirable water during dry periods. Not being directly connected to the atmosphere and located outside soil layers with the highest root densities, water in these layers is less susceptible to be rapidly evaporated and transpired. Instead, it provides longer-term soil water storage increasing the drought tolerance of plants and ecosystems.
Given the importance of soil moisture in the context of hydro-meteorological extremes in a warming climate, its monitoring is part of official national adaption strategies to a changing climate. Yet, soil moisture is highly variable in time and space which challenges its monitoring on spatio-temporal scales relevant for flood and drought risk modelling and forecasting.
Introduced over a decade ago, Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS) is a noninvasive geophysical method that allows for the estimation of soil moisture at relevant spatio-temporal scales of several hectares at a high, subdaily temporal resolution. CRNS relies on the detection of secondary neutrons above the soil surface which are produced from high-energy cosmic-ray particles in the atmosphere and the ground. Neutrons in a specific epithermal energy range are sensitive to the amount of hydrogen present in the surroundings of the CRNS neutron detector. Due to same mass as the hydrogen nucleus, neutrons lose kinetic energy upon collision and are subsequently absorbed when reaching low, thermal energies. A higher amount of hydrogen therefore leads to fewer neutrons being detected per unit time. Assuming that the largest amount of hydrogen is stored in most terrestrial ecosystems as soil moisture, changes of soil moisture can be estimated through an inverse relationship with observed neutron intensities.
Although important scientific advancements have been made to improve the methodological framework of CRNS, several open challenges remain, of which some are addressed in the scope of this thesis. These include the influence of atmospheric variables such as air pressure and absolute air humidity, as well as, the impact of variations in incoming primary cosmic-ray intensity on observed epithermal and thermal neutron signals and their correction. Recently introduced advanced neutron-to-soil moisture transfer functions are expected to improve CRNS-derived soil moisture estimates, but potential improvements need to be investigated at study sites with differing environmental conditions. Sites with strongly heterogeneous, patchy soil moisture distributions challenge existing transfer functions and further research is required to assess the impact of, and correction of derived soil moisture estimates under heterogeneous site conditions. Despite its capability of measuring representative averages of soil moisture at the field scale, CRNS lacks an integration depth below the first few decimetres of the soil. Given the importance of soil moisture also in deeper soil layers, increasing the observational window of CRNS through modelling approaches or in situ measurements is of high importance for hydrological monitoring applications.
By addressing these challenges, this thesis aids to closing knowledge gaps and finding answers to some of the open questions in CRNS research. Influences of different environmental variables are quantified, correction approaches are being tested and developed. Neutron-to-soil moisture transfer functions are evaluated and approaches to reduce effects of heterogeneous soil moisture distributions are presented. Lastly, soil moisture estimates from larger soil depths are derived from CRNS through modified, simple modelling approaches and in situ estimates by using CRNS as a downhole technique. Thereby, this thesis does not only illustrate the potential of new, yet undiscovered applications of CRNS in future but also opens a new field of CRNS research. Consequently, this thesis advances the methodological framework of CRNS for above-ground and downhole applications. Although the necessity of further research in order to fully exploit the potential of CRNS needs to be emphasised, this thesis contributes to current hydrological research and not least to advancing hydrological monitoring approaches being of utmost importance in context of intensifying hydro-meteorological extremes in a changing climate.Wasser, das als Bodenfeuchte in der ungesättigten Bodenzone gespeichert ist, beeinflusst zahlreiche hydrologische Prozesse. Sie ist von großer Bedeutung für hydrometeorologische Extremereignisse, da sie sowohl die Prozesse zur Entstehung von Hochwassereignissen beeinflusst als auch pflanzenverfügbares Wasser in Dürreperioden bereitstellt, in denen Regen ausbleibt. Vor allem Bodenfeuchte in tieferen Schichten des Bodens wird zum Beispiel durch die geringere Dichte an Pflanzenwurzeln langsamer aufgenommen und reduziert. Die Bodenfeuchte in diesen tieferen Schichten kann daher vor allem in Trockenperioden zum Überleben der Pflanzen in landwirtschaftlichen Gebieten und natürlichen Ökosystemen beitragen. Im Kontext hydro-meteorologischer Extremereignisse kommt der Bodenfeuchte so eine besondere Bedeutung zu und ist daher Teil nationaler Monitoring- und Anpassungsstrategien an sich verändernde Klimabedingungen.
Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS) ist ein geophysikalisches Messverfahren, das natürlich vorkommende Neutronen aus kosmischer Strahlung zur Bodenfeuchtebestimmung nutzt. Die Intensität der über dem Boden gemessenen Neutronen ist dabei abhängig von der Menge anWasserstoff in der Umgebung des Neutronendetektors. Da in den meisten Bereichen an Land die Bodenfeuchte den größten Teil des Wasserstoffs ausmacht, lassen Veränderungen in der gemessenen Neutronenintensität auf veränderte Bodenfeuchtebedingungen schließen. Ein Vorteil dieser nichtinvasiven Methode ist ihr großer Messbereich von mehreren Hektar. Die, selbst über kurze Distanzen und Zeiträume auftretenden, Unterschiede werden somit repräsentativ gemittelt und gemessene Bodenfeuchtewerte können so besser für Vorhersagemodelle von Hochwasser- und Dürreereignissen genutzt werden.
Trotz des Potentials von CRNS für das Monitoring von Bodenfeuchte bleiben zahlreiche offene Forschungsfragen, von denen einige im Rahmen dieser Arbeit betrachtet werden. Hierzu zählt die Bestimmung und Korrektur von Einflussgrößen, die das Neutronensignal zusätzlich zur Bodenfeuchte beeinflussen. Ebenso gehört die Ableitung von Bodenfeuchte aus dem Neutronensignal selbst sowie der Umgang mit stark unterschiedlichen Bodenfeuchtebedingungen im Messbereich dazu. Obwohl CRNS einen großen horizontalen Messbereich besitzt, ist die Messtiefe auf die oberen ca. 30 cm des Bodens begrenzt. Hierzu werden Ansätze untersucht, die Bodenfeuchte mathematisch in größere Tiefen zu extrapolieren und sie direkt dort zu messen, indem Neutronendetektoren in Bohrlöchern installiert werden. Mit der Betrachtung der Forschungsfragen kann diese Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung von CRNS und der Anwendbarkeit der Methode z.B. im Rahmen nationaler Monitoring-Programme leisten, denen im Kontext zunehmend intensiverer hydro-meteorologischer Extremereignisse eine besondere Bedeutung zukommt
The evolution of original ERP customization
No full textEnterprise Resource Planning (ERP) system customization is often necessary because companies have unique processes that provide their competitive advantage. Despite new technological advances such as cloud computing or model-driven development, technical ERP customization options are either outdated or ambiguously formulated in the scientific literature. Using a systematic literature review (SLR) that analyzes 137 definitions from 26 papers, the result is an analysis and aggregation of technical customization types by providing clearance and aligning with future organizational needs. The results show a shift from ERP code modification in on-premises systems to interface and integration customization in cloud ERP systems, as well as emerging technological opportunities as a way for customers and key users to perform system customization. The study contributes by providing a clear understanding of given customization types and assisting ERP users and vendors in making customization decisions
Bericht zum Auftaktworkshop des Forschungsprojektes "Workflow-Management-Systeme für Open-Access-Hochschulverlage (OA-WFMS)"
No full textDas Forschungsprojekt „Workflow-Management-Systeme für Open-Access-Hochschulverlage (OA-WFMS)” ist eine Kooperation zwischen der HTWK Leipzig und der Universität Potsdam. Ziel ist es, die Bedarfe von Universitäts- und Hochschulverlagen und Anforderungen an ein Workflow-Management-Systeme (WFMS) zu analysieren, um daraus ein generisches Lastenheft zu erstellen. Das WFMS soll den Publikationsprozess in OA-Verlagen erleichtern, beschleunigen sowie die Verbreitung von Open Access und das nachhaltige, digitale wissenschaftliche Publizieren fördern.
Das Projekt baut auf den Ergebnissen der Projekte „Open-Access-Hochschulverlag (OA-HVerlag)“ und „Open-Access-Strukturierte-Kommunikation (OA-STRUKTKOMM)“ auf. Der diesem Bericht zugrunde liegende Auftaktworkshop fand 2024 in Leipzig mit Vertreter:innen von zehn Institutionen statt. Der Workshop diente dazu, Herausforderungen und Anforderungen an ein WFMS zu ermitteln sowie bestehende Lösungsansätze und Tools zu diskutieren.
Im Workshop wurden folgende Fragen behandelt:
a. Wie kann die Organisation und Überwachung von Publikationsprozessen in wissenschaftlichen Verlagen durch ein WFMS effizient gestaltet werden?
b. Welche Anforderungen muss ein WFMS erfüllen, um Publikationsprozesse optimal zu unterstützen?
c. Welche Schnittstellen müssen berücksichtigt werden, um die Interoperabilität der Systeme zu garantieren?
d. Welche bestehenden Lösungsansätze und Tools sind bereits im Einsatz und welche Vor- und Nachteile haben diese?
Der Workshop gliederte sich in zwei Teile : Teil 1 behandelte Herausforderungen und Anforderungen (Fragen a. bis c.), Teil 2 bestehende Lösungen und Tools (Frage d.). Die Ergebnisse des Workshops fließen in die Bedarfsanalyse des Forschungsprojekts ein.
Die im Bericht dokumentierten Ergebnisse zeigen die Vielzahl der Herausforderungen der bestehenden Ansätze bezüglich des OA-Publikationsmanagements . Die Herausforderungen zeigen sich insbesondere bei der Systemheterogenität, den individuellen Anpassungsbedarfen und der Notwendigkeit der systematischen Dokumentation. Die eingesetzten Unterstützungssysteme und Tools wie Dateiablagen, Projektmanagement- und Kommunikationstools können insgesamt den Anforderungen nicht genügen, für Teillösungen sind sie jedoch nutzbar. Deshalb muss die Integration bestehender Systeme in ein zu entwickelndes OA-WFMS in Betracht gezogen und die Interoperabilität der miteinander interagierenden Systeme gewährleistet werden. Die Beteiligten des Workshops waren sich einig, dass das OA-WFMS flexibel und modular aufgebaut werden soll. Einer konsortialen Softwareentwicklung und einem gemeinsamen Betrieb im Verbund wurde der Vorrang gegeben.
Der Workshop lieferte wertvolle Einblicke in die Arbeit der Hochschulverlage und bildet somit eine solide Grundlage für die in Folge zu erarbeitende weitere Bedarfsanalyse und die Erstellung des generischen Lastenheftes.The research project „Workflow Management Systems for Open Access University Presses (OA-WFMS)“ is a collaboration between HTWK Leipzig and the University of Potsdam. The aim is to analyze the needs of university presses and the requirements for a Workflow Management System (WFMS) to create a catalog of generic specifications. The WFMS is intended to facilitate and accelerate the publication process in OA presses, as well as to promote the spread of open access and sustainable, digital scientific publishing.
The project builds on the results of the project „Open Access University Press (OA-HVerlag)“ and „Open Access Structured Communication (OA-STRUKTKOMM)“. The kickoff workshop for this report took place in 2024 in Leipzig with representatives from ten institutions. The workshop aimed to identify challenges and requirements for a WFMS, as well as discuss existing solutions and tools.
The workshop addressed the following questions:
a. How can the organization and monitoring of publication processes in scientific presses be efficiently designed using a WFMS?
b. What requirements must a WFMS meet to optimally support publication processes?
c. Which interfaces need to be considered to ensure the interoperability of the systems?
d. Which existing solutions and tools are already in use, and what are their advantages and disadvantages?
The workshop was divided into two parts: Part 1 addressed challenges and requirements (questions a. to c.), and Part 2 focused on existing solutions and tools (question d.). The results of the workshop will be incorporated into the needs analysis of the research project.
The results documented in the report highlight the variety of challenges of the existing approaches regarding OA publication management. The challenges are particularly evident in system heterogeneity, the need for individual customization, and the necessity of systematic documentation. The support systems and tools in use, such as file storage, project management, and communication tools, do not fully meet the requirements but can be used for partial solutions. Therefore, the integration of existing systems into a new OA-WFMS must be considered, and the interoperability of interacting systems must be ensured.
The workshop participants agreed that the OA-WFMS should be flexible and modular. Priority was given to consortial software development and joint operation within the association.
The workshop provided valuable insights into the work of university presses and forms a solid foundation for the subsequent further needs analysis and the creation of the catalog of generic specifications
Konzeption eines integrativen Schulfaches „Digitale Welt“ für hessische Schulen
No full textUm in der Schule bereits frühzeitig ein Verständnis für informatische Prozesse zu vermitteln wurde das neue Informatikfach Digitale Welt für die Klassenstufe 5 konzipiert mit der bundesweit einmaligen Verbindung von Informatik mit anwendungsbezogenen und gesellschaftlich relevanten Bezügen zur Ökologie und Ökonomie. Der Technische Report gibt eine Handreichung zur Einführung des neuen Faches.In order to impart an understanding of computer science processes at an early stage at school, the new computer science subject Digital World was designed for year 5, which combines computer science with application-related and socially relevant references to ecology and economics in a way that is unique in Germany. The Technical Report provides guidance on the introduction of the new subject
Über die Synthese von Linux Kernel- Modul-Komponenten aus Coq-Formalisierungen
No full textThis thesis presents an attempt to use source code synthesised from Coq formalisations of device drivers for existing (micro)kernel operating systems, with a particular focus on the Linux Kernel.
In the first part, the technical background and related work are described. The focus is here on the possible approaches to synthesising certified software with Coq, namely the extraction to functional languages using the Coq extraction plugin and the extraction to Clight code using the CertiCoq plugin. It is noted that the implementation of CertiCoq is verified, whereas this is not the case for the Coq extraction plugin. Consequently, there is a correctness guarantee for the generated Clight code which does not hold for the code being generated by the Coq extraction plugin. Furthermore, the differences between user space and kernel space software are discussed in relation to Linux device drivers. It is elaborated that it is not possible to generate working Linux kernel module components using the Coq extraction plugin without significant modifications. In contrast, it is possible to produce working user space drivers both with the Coq extraction plugin and CertiCoq. The subsequent parts describe the main contributions of the thesis.
In the second part, it is demonstrated how to extend the Coq extraction plugin to synthesise foreign function calls between the functional language OCaml and the imperative language C. This approach has the potential to improve the type-safety of user space drivers. Furthermore, it is shown that the code being synthesised by CertiCoq cannot be used in kernel space without modifications to the necessary runtime. Consequently, the necessary modifications to the runtimes of CertiCoq and VeriFFI are introduced, resulting in the runtimes becoming compatible components of a Linux kernel module. Furthermore, justifications for the transformations are provided and possible further extensions to both plugins and solutions to failing garbage collection calls in kernel space are discussed.
The third part presents a proof of concept device driver for the Linux Kernel. To achieve this, the event handler of the original PC Speaker driver is partially formalised in Coq. Furthermore, some relevant formal properties of the formalised functionality are discussed. Subsequently, a kernel module is defined, utilising the modified variants of CertiCoq and VeriFFI to compile a working device driver. It is furthermore shown that it is possible to compile the synthesised code with CompCert, thereby extending the guarantee of correctness to the assembly layer. This is followed by a performance evaluation that compares a naive formalisation of the PC speaker functionality with the original PC Speaker driver pointing out the weaknesses in the formalisation and possible improvements. The part closes with a summary of the results, their implications and open questions being raised.
The last part lists all used sources, separated into scientific literature, documentations or reference manuals and artifacts, i.e. source code.Die vorliegende Dissertation präsentiert einen Ansatz zur Nutzung von Quellcode, der aus der Coq-Formalisierung eines Gerätetreibers generiert wurde, für bestehende (Mikrokernel-)Betriebssysteme, im Speziellen den Linux-Kernel.
Im ersten Teil erfolgt eine Beschreibung der relevanten technischen Aspekte sowie des aktuellen Forschungsstandes. Dabei liegt der Fokus auf der Synthese von funktionalem Code durch das Coq Extraction Plugin und von Clight Code durch das CertiCoq Plugin. Des Weiteren wird dargelegt, dass die Implementierung von CertiCoq im Gegensatz zu der des Coq Extraction Plugin verifiziert ist, wodurch sich eine Korrektheitsgarantie für den generierten Clight Code ableiten lässt. Darüber hinaus werden die Unterschiede zwischen User Space und Kernel Space Software in Bezug auf Linux-Treiber erörtert. Unter Berücksichtigung der technischen Einschränkungen wird dargelegt, dass der durch das Coq Extraction Plugin generierte Code ohne gravierende Anpassungen der Laufzeitumgebung nicht als Teil eines Kernel Space Treibers nutzbar ist. Die nachfolgenden Teile der Dissertation behandeln den Beitrag dieser Arbeit.
Im zweiten Teil wird dargelegt, wie das Coq Extraction Plugin derart erweitert werden kann, dass typsichere Aufrufe zwischen den Sprachen OCaml und C generiert werden können. Dies verhindert spezifische Kompilationsfehler aufgrund von Typfehlern. Des Weiteren wird aufgezeigt, dass der durch CertiCoq generierte Code ebenfalls nicht im Kernel Space genutzt werden kann, da die Laufzeitumgebung technische Einschränkungen verletzt. Daher werden die notwendigen Anpassungen an der vergleichsweise kleinen Laufzeitumgebung sowie an VeriFFI vorgestellt und deren Korrektheit begründet. Anschließend werden mögliche Erweiterungen beider Plugins sowie die Möglichkeit der Behandlung von fehlschlagenden Aufrufen der Garbage Collection von CertiCoq im Kernel Space erörtert.
Im dritten Teil wird als Machbarkeitsstudie im ersten Schritt der Event-Handler des Linux PC Speaker Treibers beschrieben und eine naive Coq-Formalisierung sowie wichtige formale Eigenschaften dargelegt. Dann wird beschrieben, wie ein Kernel-Modul und dessen Kompilation definiert werden muss, um einen lauffähigen Linux Kernel Treiber zu erhalten. Des Weiteren wird erläutert, wie die generierten
Teile dieses Treibers mit dem verifizierten Kompiler CompCert übersetzt werden können, wodurch auch eine Korrektheit für den resultierenden Assembler-Code gilt. Im Anschluss erfolgt eine Evaluierung der Performance des aus der naiven Coq-Formalisierung generierten Codes im Vergleich zum originalen PC-Speaker Treiber.
Dabei werden die Schwächen der Formalisierung sowie mögliche Verbesserungen diskutiert. Der Teil wird mit einer Zusammenfassung der Ergebnisse sowie der daraus resultierenden offenen Fragen abgeschlossen.
Der letzte Teil gibt eine Übersicht über genutzte Quellen und Hilfsmittel, unterteilt in wissenschaftliche Literatur, Dokumentationen sowie Software-Artefakte