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Fault Tolerant Control Schemes for Wireless Networked Control Systems with an Integrated Scheduler
No full textIn recent years, the wireless networked control systems (W-NCSs) has gained increasing popularity in industrial processes. To guarantee the system control performance, fault tolerant control (FTC) strategies have been proposed especially to deal with the malfunction in sensors, actuators or other system components. For the real-time requirement in industrial systems, the FTC performances of W-NCSs not only depend on the developed control algorithms but also on the network protocols at the medium access control (MAC) layer. These protocols, in form of schedulers, determine the transmission orders of messages and play significant roles in the control performances of W-NCSs. Under these circumstances, it is challenging but promising to investigate FTC schemes for W-NCSs with an integrated scheduler.
This thesis is devoted to the development of FTC strategies for W-NCSs with an integrated scheduler. In the first part of this thesis, the procedures of integrating a scheduler into W-NCSs are introduced. Due to the requirement for deterministic transmission behaviors via the wireless network, the time division multiple access (TDMA) mechanism is adopted in W-NCSs. The TDMA-based scheduler is taken as a dynamic system and formulated into a periodic system. After that, with the integration of the scheduler, the W-NCSs are modeled as discrete linear time periodic (LTP) systems.
The second part of this thesis focuses on the developments of FTC schemes for the integrated LTP systems. Two types of faults, i.e., additive faults (AFs) and multiplicative faults (MFs), are considered in our work. Specifically, a group of fault tolerant controllers are constructed for the AFs case, and seek to ensure that the outputs of LTP systems satisfy a set of H_infty performance indices. On the other hand, a lifting technology and an adaptive observer are applied to handle the situation of MFs. Due to the distribution of W-NCSs and the limitation of communication bandwidth, theorems are presented to solve the structure-restriction problem in the gains of observers and controllers.
Finally, the derived FTC approaches are verified on an advanced experimental WiNC (wireless networked control) platform. Following the structure-restricted gains, the FTC strategies are realized with shared and unshared information (i.e., residual signals and state estimates), respectively. The results indicate that the system with shared information has achieved better FTC performances.
In den letzten Jahren, haben die drahtlos vernetzten Steuerungssystemen (W-NCSs) sich zunehmender Beliebtheit in industriellen Prozessen gewonnen. Um die Systemsteuerleistung zu gewährleisten, sind die fehlertoleranten Regelung (FTC) Strategien vorgeschlagen worden, um vor allem mit der Fehlfunktion in Sensoren, Aktoren oder andere Systemkomponenten umzugehen. Für die Echtzeitanforderung in industriellen Systemen, hängen die FTC-Leistungen der W-NCSs nicht nur von den entwickelten Regleralgorithmen sondern auch von den Netzwerkprotokollen auf dem Medium Access Control (MAC)-Layer ab. Diese Protokolle, in Form von Schedulers, bestimmen die Reihenfolge der Übertragung der Nachrichten und spielen eine bedeutende Rolle in den Steuerleistungen von W-NCSs. Unter diesen Umständen ist es herausfordernd aber vielversprechend um FTC Regelungen für W-NCSs mit einem integrierten Scheduler zu untersuchen.
Diese Arbeit widmet sich auf die Entwicklung von FTC Strategien für W-NCSs mit einem integrierten Scheduler. Im ersten Teil der Arbeit werden die Verfahren der Integration einen Scheduler in W-NCSs eingeführt. Aufgrund der Anforderung deterministisches Übertragungsverhalten über das drahtlose Netzwerk zu gewährleisten, wird der Time-Division-Multiple-Access (TDMA) Mechanismus gewählt. Der TDMA-basierte Scheduler ist als ein dynamisches System betrachtet und als ein Periodisches system formuliert. Danach, mit der Integration des Schedulers, werden die W-NCSs als diskrete Linear Time Periodic (LTP)-Systeme modelliert.
Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung der FTC Regelungen für die integrierten LTP-Systeme. Zwei Arten von Fehlern, d.h., additive Fehlern (AFs) und multiplikativen Fehlern (MFs), sind in unserer Arbeit berücksichtigt. Für LTP-Systeme mit AFs wird ein Satz von fehlertoleranten Reglern entworfen, dass die Ausganggröße eine Reihe von H_infty-Leistungsindizes erfüllen werden. Auf der anderen Seite, werden ein Hebetechnik und eine adaptive Beobachter angewendet, um den Fall von MFs zu behandeln. Aufgrund der Verbreitung der W-NCSs und gleichzeitiger Begrenzung der Kommunikationsbandbreite werden Theoreme vorgestellt, um das Problem der Strukturbeschränkung in den Beobachter- bzw. Reglermatrizen zu lösen.
Abschließend werden die hergeleiteten FTC-Ansätze auf einem fortgeschrittenen WiNC (drahtlos vernetzten Regelung) Plattform überprüft. Nach den Beobachter- bzw. Reglermatrizen sind die FTC-strategien mit vollständig geteilter oder nicht geteilter Informationen (d.h., Residuum Signale und Schätzungen der Zustandsgrößen) realisiert worden. Die Ergebnisse zeigen, dass das System mit vollständig geteilten Informationen bessere FTC-Leistungen erzielt hat
A social psychological analysis
No full textDie vorliegende Arbeit widmet sich der Fragestellung, wie Referendar/-innen und Schulleitungen mit Feedback umgehen. Zur Beantwortung dieser Fragen wurden zwei Studien durchgeführt, eine quantitative Studie mit Referendar/-innen eines Zentrums für schulpraktische Lehrer/-innenbildung sowie eine qualitative Studie mit Schulleitungen aus Nordrhein-Westfalen (NRW) hinsichtlich ihres Umgangs mit der Qualitätsanalyse.
Der Forschungsstand zeigt, dass Feedback ein komplexes Themengebiet darstellt. Zwar existieren viele Erfahrungen mit Feedback und es gibt wissenschaftliche Forschung, die zeigt, wie Feedback besonders effektiv erteilt werden sollte. Jedoch sind immer noch essentielle Fragen in diesem Bereich ungeklärt. Die Personengruppen der Referendar/-innen sowohl als auch der Schulleitungen wurden in dieser Arbeit ausgewählt, da sie sich beide in ‚besonderen‘ Feedbacksituationen befinden.
Der theoretische sozialpsychologische Blickwinkel auf das Thema Feedback zeigt, dass die Akzeptanz und der positive Umgang sowie die Ablehnung und der negative Umgang mit Feedback durch zahlreiche Faktoren hervorgerufen werden können. So ist es möglich, dass der Umgang mit Feedback beispielsweise durch Reaktanz-, Dissonanz-, sowie Selbstwertprozesse beeinflusst wird. Diese ausgewählten sozialpsychologischen Perspektiven, so argumentiert diese Arbeit, lassen sich innerhalb eines weiteren theoretischen Ansatzes, quasi einer Meta-Theorie gleichend, zusammenfassen. Dieser Meta-Ansatz ist der der rational-emotiven Verhaltenstherapie (REVT). Die von Ellis entwickelte Theorie beleuchtet Prozesse der Emotionsregulation und versucht, das emotionale Erleben von Individuen sowie deren Verhalten zu entschlüsseln, um ihnen über die kognitive Umstrukturierung ihrer Gedanken und Bewertungssysteme eine Einflussnahme zu ermöglichen.
Beide Studien weisen auf eine Vielzahl positiver Faktoren hin, die den Umgang mit Feedback in der Situation von Referendar/-innen und Schulleitungen begünstigen. Gleichzeitig verdeutlichen die Studien auch, aus welchen Gründen die untersuchten Personengruppen erhaltenes Feedback ablehnen. Das Zusammenführen beider Studien ermöglicht es, Gemeinsamkeiten beider Zielgruppen im Umgang mit Feedback zu erfassen. Gleichzeitig bieten die Untersuchungen einen guten Blick auf die Situation der Akzeptanz der zweiten Lehrer/-innenausbildungsphase durch die Referendar/-innen sowie mögliche Verbesserungsschwerpunkte. Im Hinblick auf die Schulleitungen wird ebenfalls eine neue, bislang in NRW mit dieser Form der externen Evaluation noch nicht derartig intensiv beleuchtete Situation analysiert, welche ebenfalls im Bereich der Bildungsforschung relevant ist.
Es wird deutlich, dass Faktoren aus einer sozialpsychologischen Perspektive berücksichtigt werden sollten, um den Umgang der beiden Berufsgruppen mit Feedback gewinnbringend zu gestalten. Nicht nur für den eigenen Lernerfolg und einen produktiveren, reflektierteren Umgang mit sich selbst, sondern auch für diejenigen, die es besonders betrifft: die Schüler/-innen. Die Integration der rational-emotiven Verhaltenstherapie als Meta-Theorie zur Modifikation des Feedbackverhaltens von Individuen durch das Training von Elementen des Kontrollerlebens und der Selbstregulationskompetenz wird abschließend, basierend auf der zusammenführenden Diskussion der Ergebnisse sowie daraus sich ergebenden Implikationen, innerhalb eines Arbeitsmodells konkretisiert.This paper examines the leading question, how future teachers and headmasters of schools deal with feedback processes. Two empirical studies have been carried out and analyzed with the aid of a social psychological background.
Feedback, although a highly recent and modern research topic, still remains a complex area of research. On the one hand, a lot of experience concerning feedback exists and empirical research in this field is showing how feedback should be given in order to be effective. Still, many questions in this area remain unsolved. The two groups of trainee teachers and headmasters, which are being investigated in two studies presented in this paper were chosen, because they both have to deal with somehow special feedback situations.
A social psychological consideration of feedback shows that the acceptance of and a positive way of handling feedback as well as a negative way of handling feedback and its rejection can be caused by a variety of different factors, such as psychological reactance, cognitive dissonance or self-worth influencing processes. This paper comes forth with the argument, that the chosen and above presented social psychological perspectives on the way in which individuals deal with feedback can be summarized in a further theoretical approach, which is therefore taking the status of a meta-theory. The approach is the theoretical foundation of rational-emotive behavior therapy (REBT).
The discussion of both studies offers a valuable insight on hindering and facilitating factors, which influence feedback processes. Simultaneously, it offers an understanding of the acceptance of the second phase of teacher education by the teacher trainees and hints at possibilities of improvement. Regarding the group of headmasters, the qualitative analysis of their attitudes towards Quality Analysis offers valuable insights regarding the acceptance of the newly installed external feedback tool.
From a social psychological viewpoint, a number of implications arise from the results, especially on how to improve the handling of feedback by those two groups, trainee teachers and headmasters.
Furthermore, the research presented in this paper leads to a model of rational-emotive behavior therapy as a mediating factor on regulation competencies which may help to improve a positive handling of feedback by trainee teachers and headmasters, but also by every individual in general
Strukturelle Charakterisierung des N-Terminus von UBXD1 und seine Regulation der ATPase-Aktivität von p97
No full textThe first Turkish teachers in North Rhine-Westfalia - About the insufficient knowledge regarding this special occupational group - An empirical analysis
No full textDie erziehungspolitisch Verantwortlichen der Bundesrepublik Deutschland aber auch Nordrhein-Westfalens verfolgten bei der Beschulung der Migrantenkinder mit dem Ende der 1960er sowie dem Beginn der 1970er Jahre eine Schulpolitik, die auf historisch gewachsenen, konservativen Leitideen basierte. Hierdurch entstand ein bildungspolitisches Spannungsfeld, in das die Kinder der ausländischen Arbeitnehmer verortet waren. Formell waren sie zwar in die allgemeine Schulpflicht miteinbezogen und sollten am Regelunterricht teilnehmen, doch parallel hierzu versuchte man die seitens der Bildungsminister als aufoktroyierte Notwendigkeit empfundenen Richtlinien des EG-Rates zur Beschulung dieser Schülerschaft gerecht zu werden. Diese Richtlinien zielten darauf ab, die Migrantenkinder auf eine baldige Rückkehr in ihre Heimatländer vorzubereiten. Dies geschah in Nordrhein-Westfalen zum einen durch die Separation dieser Schüler in den sogenannten Vorbereitungsklassen, in denen unter dem Vorzeichen der Förderung eventuell vorliegende Defizite in der deutschen Sprache abgebaut werden sollten, um sie somit offiziell für den Regelunterricht vorzubereiten. Ab der Mitte der 1980er Jahre wurde innerhalb der nordrhein-westfälischen Schullandschaft der Muttersprachliche Ergänzungsunterricht installiert, der zwar auf der einen Seite den Vorbereitungsunterricht ablöste, im Kern weiterhin von der Annahme einer baldigen Rückkehr der Arbeitsmigranten und ihrer Familienmitglieder in die Ursprungsländer ausging, und deswegen ebenfalls die Schüler auf ihr zukünftiges Leben vorbereiten sollte.
Die Arbeit soll einen Beitrag dazu leisten, dem Leser die Geschichte der Frauen und Männer zu vergegenwärtigen, die als Lehrkräfte “der ersten Stunde“ im Rahmen des Muttersprachlichen Ergänzungsunterricht Türkisch in Nordrhein-Westfalen tätig waren, um sie hierdurch als einen Teil der bundesrepublikanisch-pädagogischen Historie in das Bewusstsein der Öffentlichkeit zu rücken. Um dieses bis dato unvermessene Gelände zu kartographieren, wird hierbei das Ziel anvisiert, dem Leser einen historisch orientierten, deskriptiv-analytischen Zugriff auf die berufliche Arbeitssituation von türkischen Lehrkräften im Rahmen des Muttersprachlichen Ergänzungsunterrichts zu präsentieren. Hierfür soll dem Leser zunächst ein darstellender Überblick vorgestellt werden. Diese Deskription bildet im zweiten Schritt wiederum die Grundlage für erkenntnisinduzierende Kausalitäten. Sie dienen dazu, anhand eines analytischen Zugriffs verschiedener berufspädagogischer Aspekte sowie differenzierender Gruppenbetrachtungen eine Verdichtung des Datenmaterials herbeizuführen, um somit eine weitergehende Schärfung der Konstitutionsbedingungen von Beruflichkeit der türkischen Lehrkräfte “der ersten Stunde“ herbeizuführen.
Im Mittelpunkt des Forschungsinteresses dieser Studie liegt die Erarbeitung all jener arbeitsweltlichen Konstitutionsbedingungen, die die Gruppe der türkischen Lehrkräfte “der ersten Stunde“ kennzeichnete Diese leisteten eine nicht zu unterschätzende Pionierarbeit und hatten in den 1970er und 1980er Jahren eine wichtige Rolle und Funktion im Rahmen des Akkulturationsprozesses der türkischen Kinder und Jugendlichen. Hierbei wurden sie vor große Auf-gaben gestellt, denn sie waren es, die zwischen Gesellschaft und Kultur der Türkei und der Bundesrepublik sowie zwischen den Erziehungsvorstellungen der türkischen Familien und den Ansprüchen der deutschen Schulen vermitteln mussten. Speziell wenn man sich vor Augen führt, dass diese Lehrkräfte ohne große Vorbereitung für diese schwere Aufgabe, größtenteils ohne geeignete Bücher sowie Unterrichtsmaterialien für die Kinder, ohne transparente Richtlinien für diesen Unterricht, ohne große Hilfe seitens der Eltern und stellenweise unter Geringschätzung seitens ihrer deutschen Kollegen ihrer pädagogischen Arbeit nachkommen mussten.In the late 1960s and early 1970s the authorities responsible for educational politics in the Federal Republic of Germany, as well as in North Rhine-Westfalia (NRW) pursued a school policy concerning the teaching of migrant children, that was based on historically grown, conservative ideas. This created an area of conflict in educational policy, with the children of foreign workers caught in the middle. These children were formally included in compulsory schooling and supposed to partake in regular lessons, but simultaneously education authorities tried to meet the directives of the European Counsil, beeing imposed on them by the ministry of Education. These directives aimed at preparing the migrant children for a quick return to their home countries. In NRW these pupils were seperated in socalled preliminary classes (Vorbereitungsklassen), where, under the premise of promotion, potential deficits regarding the German language should be reduced in order to officially prepare them for regular teaching. As depicted in this paper, the concept of preliminary classes resulted in a parallel school system with nationally uniform classes which rather had excluding than including characteristics. Since the mid-1980s supplementary native language lessons (Muttersprachlicher Ergänzungsunterricht) had been implemented in the school system of NRW. These supplementary native language lessons replaced the preliminary classes, but were still based on the false assumption that the migrant workers and their families would return to their home countries. Thus, the content of the mother tongue courses also focused on preparing the pupils for their imminent departure and their future lives outside of Germany.
Within the aforementioned historical and institutional framework, the present study attemps to give access to a scientifically widely unexplored area of historical research in education. The focus of interest is on outlining and mapping the working environment and working conditions of the first Turkish teachers, who gave lessons in preliminary classes and supplementary native language lessons in the
1970s and 1980s in NRW. To meet the research interest, a descriptive-analytical approach was chosen, which presents empiricism as well as coherences to the reader, that improve knowledge and draw conclusions about the conditions in the working world of this group of people, who defined the educational work with Turkish pupils during the given time period.
With regards to the institutional and organisational framework pointed out in this paper, it becomes clear that the first Turkish teachers performed pioneer work which should not be underestimated, because they played an important role in the process of acculturation of Turkish children and adolescents. The Turkish teachers were faced with a challenging situation, since they served as a link between the society and culture of Turkey on the one hand, and Germany on the other hand, and they had to meet the requirements of German schools as well as the expectations of Turkish families. Furthermore, one has to bear in mind that these teachers were unprepared for this difficult task, they lacked suitable school books and teaching material, guidelines for teaching the native language classes were not transparent, the childrens' parents often did not support their effort, neither did their German collegues, who frequently showed contempt and disregard, but the Turkish teachers still had to fulfill their pedagogical work day after day
On the interaction between affective and cognitive processes in decisions under risk: Underlying behavioral, neural, and neuroendocrine correlates
No full textThe present thesis taps into the field of neuropsychological decision-making research. In this field it is common to distinguish between decisions under ambiguity and decisions under risk. In situations under ambiguity the decision maker has no information about the consequences and their probabilities of occurrence, which is why she/he has to rely on her/his intuitions and experiences with the situation (e.g., Bechara, Damasio, Damasio, & Anderson, 1994). In contrast, in situations under risk information about consequences and probabilities is given and the decider can process them to make a decision (e.g., Brand, Labudda, & Markowitsch, 2006). In their model of decision making under risk, Brand and colleagues (2006) postulated the involvement of cognitive and affective processes. Over the years, several studies supported this assumption. However, little was known about the interaction between the underlying cognitive and affective processes and the associated neural correlates. The research for this thesis was conducted to fill this gap. The first study aimed to investigate the neural correlates of the interaction between decision making, additional cognitive demand, and stress. It was found that stress appears to trigger a shift from serial to parallel processing brain regions to prevent decision-making performance from decreasing, supporting the assumptions made in previous studies (Pabst, Schoofs, Pawlikowski, Brand, & Wolf, 2013; Plessow, Schade, Kirschbaum, & Fischer, 2012). The second study concentrated on the possibility that cognitive functions might have an important role in facilitating decision making in situations when both processing routes (affective and cognitive) are demanded at the same time. The results revealed that although affective stimuli (especially those of positive valence) interfere with the decision-making performance, participants with superior executive functioning seem to be unaffected and were still able to decide advantageously. In contrast, participants with inferior executive functions were affected and showed disadvantageous decision making. In the third study the focus of investigation was which subcomponents of executive functioning might be involved in decision-making situations with additional cognitive demand. The findings suggest the involvement of higher-level executive functions and lower-level executive functions in decision making when the cognitive route is additionally loaded by another cognitive demanding task simultaneously. In order to measure the additional cognitive load, a dual task consisting of a decision-making task and an additional cognitive task was used in each study. In conclusion, the findings suggest that in decision-making situations with additional cognitive and affective demand, underlying affective and cognitive processes interact in a way that they prevent a decrease of decision-making performance. The findings and the therefrom derived assumptions are discussed in detail and perspectives for future outcomes are given
Schlüsselkompetenzen – ‚Schlüssel‘ für die Arbeitswelt des 21. Jahrhunderts?
No full textGegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung des Diskurses zu außer- bzw. überfachlichen Bildungselementen, die als ‚Schlüsselqualifikationen‘ ‚Schlüssel-kompetenzen‘, ‚Kompetenzen‘ oder – je nach Anglizismenaffinität – als ‚Soft Skills‘ in sozial-, erziehungs- und bildungswissenschaftlichen Zusammenhängen omnipräsent Verwendung finden. In einem ersten Schritt werden die in der einschlägigen Fachliteratur prominenten und die Diskussion bestimmenden Theorien und Konzepte herausgearbeitet. Da diese Konzeptionen vornehmlich aus den 1970er bis 1990er Jahren stammen, werden anschließend zur Prüfung der aktuellen Relevanz folgende Fragen beantwortet: Welche Triebkräfte sind für die Arbeitswelt des beginnenden 21. Jahrhunderts prägend, wie wirken sich diese auf Individuen im Arbeits- und Alltagsleben aus und welche zentralen Bildungselemente werden folglich aktuell benötigt? Bei der Beantwortung der letzten Frage wird besonderes Augenmerk auf Probleme und Grenzen der Verwendung der zentralen Begrifflichkeiten gelegt. Daran anschließend wird der Frage nachgegangen, wie sich die Idee der Schlüsselkompetenzen zu einer Leitidee im bildungs- und erziehungswissenschaftlichen Diskurs entwickeln konnte: Dazu werden die im Verlauf dieser Arbeit identifizierten zentralen Metaphern einer systematischen Metaphernanalyse unterzogen, die den Leitfragen folgt: Welche „metaphorischen Konzepte“ (Lakoff/Johnson 1980) mit welchen Implikationen und Konsequenzen sind dem Sprechen, Denken und Handeln gemäß der Schlüsselmetapher inhärent und wie wirken sich diese auf Richtung und Verlauf des Diskurses aus
Special structural features and evidences that both humoral and cellular immune responses contribute to evolution of the envelope 2 viral protein
No full textDie spezifische, antivirale Immunantwort des Wirtes stellt einen der Hauptfaktoren für die Evolution des HCV Genoms dar. Die Anpassung des Virus an den zellulären und humoralen Selektionsdruck erfolgt über die positive Selektion von „escape“-Mutationen in B- und T-Zell Epitopen und stellt den Basismechanismus der HCV Evolution dar. Viele Aspekte, die besonders auf Populationsebene zur Adaption von HCV an selektive Einflüsse führen, sind noch nicht ausreichend untersucht. Die vorliegende Studie befaßt sich mit einigen dieser Aspekte, wobei das Hauptziel in der Untersuchung der Evolution des HCV Genomes auf Populationsebene lag. Besonders der Beitrag der humoralen und zellulären Immunantwort zur Evolution des HCV Hüllproteins E2 wurde untersucht.
Viele Ansätze, die sich bisher mit der Evolution von HCV beschäftigten, waren relativ eingeschränkt, da keine Informationen über die ursprüngliche Sequenz des Inokulums vorlagen. Eine große Besonderheit der vorliegenden Studie ist die Untersuchung einer einzigartigen Patientengruppe - Frauen, die mit demselben HCV AD78 Stamm durch Verabreichung eines HCV kontaminierten anti-D Immunglobulins in einem „single-source“-Ausbruch infiziert wurden. Durch den Zugang zu verschiedenen Materialien dieser Kohorte war eine detaillierte Analyse der viralen Evolution auf Populationsebene möglich, wobei die AD78 Sequenzen im kontaminierten Immunglobulin als Indexsequenzen dienten.
Im ersten Schritt des Projektes wurde eine Sequenzdatenbank (core-NS2 und NS4-NS5 Genomregion) für multiple Isolate des HCV AD78 Stammes von 93 Patienten erstellt, welche persistierend über einen Zeitraum von 30 Jahren mit HCV AD78 infiziert waren, sowie von Sequenzen aus dem kontaminierten Immunglobulin.
Mit Hilfe der erstellten Sequenzdatenbank konnte die Heterogenität der Infektionsquelle des anti-D Ausbruchs detailiert analysiert werden und ein potenzieller Zeitpunkt der Separation des original AD78 Stammes in die drei eng verwandten Varianten konnte festgelegt werden. Außerdem konnten die Konsensusequenzen für alle drei AD78 Varianten erstellt werden, auf deren Grundlage in Kollaboration mit Prof. R. Bartenschlager die neuen AD78/JFH1 Viruschimären generiert wurden. Diese neuen chimären Konstrukte waren in der Lage, erfolgreich in Huh7.5 Zellen zu replizieren. Die Verfügbarkeit dieses neuen und robusten Zellkultursystems stellt einen bedeutenden Schritt für die Erweiterung der bisher kreierten JFH1- basierten Genotyp 1b Systeme dar. Besonders geeignet sind diese neuen Viruschimären für Studien, die sich mit Proben des HCV AD78 Ausbruchs befassen. Dieses neue System stellt ein essentielles Hilfsmittel für die Aufklärung der biologischen Signifikanz von Mutationen, die im viralen Genom während der akuten und persistierenden Phase der Infektion auftreten, dar.
In der Analyse der Heterogenität von HCV AD78 Sequenzen aus anti-D Patienten wurden verschiedene Mutationen innerhalb und außerhalb von CD8 T-Zell-Epitopen und Bindungsstellen für neutralisierende Antikörper identifiziert. Mutationen weg von der Inokulumsequenz (forward mutations) wurden dabei häufiger detektiert als Mutationen in Richtung der allgemeinen 1b Konsensusequenz (reverse mutations). Eine große Anzahl von Mutationen innerhalb von CD8 T-Zell-Epitopen zeigte sich als bemerkenswert stabil in einem Zeitraum von 30 Jahren Persistenz. Einige von diesen Mutationen waren echte „escape“ Mutationen und wurden durch das Auftreten von kompensatorischen Mutationen in der Population fixiert. Die Analyse der Frequenz von Mutationen innerhalb und außerhalb von bekannten und putativen B- und T-Zell-Epitopen im E2 Protein aus AD78 Isolaten zeigte eine höhere Rate nonsynonymer Aminosäuresubstitutionen innerhalb von B-Zell-Epitopen und weniger ausgeprägte nonsynonyme Mutationen innerhalb von CD8 T-Zell-Epitopen. Diese Mutationen konnten vermehrt innerhalb bekannter Epitope beobachtet werden, als außerhalb dieser Epitope, was daraufhin deutet, dass sowohl die humorale als auch die zelluläre Immunantwort zur Evolution des E2 Hüllproteins in der langzeit-persistierenden HCV Infektion beitragen. Desweiteren scheint die humorale Immunantwort eine leitende Rolle in der Evolution des HCV E2 Proteins einzunehmen, wogegen die CD8 T-Zell Antwort einen geringeren Einfluß auf die Entwicklung des HCV E2 Proteins zu haben scheint.
Die Anwendung eines statistischen Ansatzes ermöglichte die Identifikation von drei putativen neuen CD8 T-Zell-Epitopen im core, E2 und NS2 Protein. Eines der potenziellen neuen Epitope konnte mittels funktionellem in vitro Zellkultur-Assay verifiziert werden. Innerhalb einiger bekannter CD8 T-Zell-Epitope konnte reproduzierbar eine Assoziation zwischen Expression eines bestimmten HLA Klasse 1 Allels und dem Auftreten bestimmter Polymorphismen an definierten Positionen hergestellt werden, was auf eine Immunselektion auf Populationsebene hindeutet. Die Einführung verschiedener „escape“ Mutationen, die in der core- und E2-Region identifiziert wurden, in das Genom von HCVcc Konstrukten führte zu einer Beeinträchtigung der Virusreplikation und Infektion. Diese Daten bestätigen, dass die beobachteten Polymorphismen tatsächlich „escape“ Mutationen waren. Im Falle der HLA-B51 spezifischen Mutation H153Q zeigte sich eine Reduktion des infektiösen Virustiters in Abhängigkeit der
Herkunft der Sequenz, die in das HCVcc Genom integriert wurde. Während diese Mutation im AD78/JFH1 System zu einer sehr milden Beeinträchtigung der Infektiosität führte, wurde durch Einführung dieser Mutation in das H77/JFH11 System die Infektiosität dramatisch reduziert (> 6 logs). Diese Daten lassen darauf schließen, dass der Einfluß von „escape“ Mutationen auf die virale Fitness zu einem großen Teil vom Sequenzkontext abhängig sein kann.
Durch die Erstellung der HCV AD78 Sequenzdatenbank war es möglich eine strukturelle Besonderheit einiger HCV Stämme zu identifizieren, nämlich das Vorhandensein von zusätzlichen 1 - 5 Aminosäuren am N-Terminus des E2 Proteins. Die meisten der AD78 Isolate wiesen solche Insertionen auf. Mit Hilfe des HCVpp und HCVcc Systems wude der Einfluß dieser zusätzlichen Aminosäuren auf die virale Replikation und Infektion untersucht. Insertion dieser zusätzlichen Aminosäuren in das HCVpp System, basierend auf AD78 E1/E2 Sequenzen, und das AD78/JFH1 HCVcc System hatte keinen signifikanten Einfluß auf die Infektiosität dieser Partikel. Im Gegensatz dazu führte die Insertion der gleichen zusätzlichen Aminosäuren in das H77/JFH1 HCVcc System zu einem vollständigem Verlust der Infektiosität. Die genaue Analyse der zusätzlichen Aminosären zeigte auf, daß bevorzugt kleine, flexible Aminosären vorkommen, welche zum Erhalt der konformationellen Variabilität der HVR1 beitragen könnten. Dies wiederum könnte einige funktionelle Charakteristika des E2 Proteins, einschließlich seiner Antigeneigenschaften und Fähigkeit HCV Zellrezeptoren zu erkennen und zu binden, beeinflussen.The specific anti-viral immune response of the host is considered as one of the major factors of HCV genome evolution. Adaptation of the virus to both cellular and humoral immune pressures by selection of the escape mutations in the targeted B- and T- epitopes is the basic mechanism of the evolution. Many details of HCV adaptation to selective forces, both in individual patients and, especially at the population level, are not completely clear. The current study address several aspects of this issue and its major aim was to get an insight into the evolution of the HCV genome at a population level and, in particular, into the contribution of humoral and cellular immune responses to evolution of the HCV envelope protein E2.
Many investigations of HCV evolution were hampered by the absence of information on the viral ancestral genomic sequence. The essential characteristic of the current project was the use of a special group of patients – women infected with the same HCV AD78 strain via contaminated anti-D globulin in a single-source outbreak. This allowed performing the accurate analysis of viral evolution at a population level using the HCV AD78 sequences present in the anti-D globulin as the index founder sequences.
At the first stage of the project a sequence database (core-P7 and NS4-NS5 genomic fragments) for multiple isolates of the HCV AD78 strain obtained from 93 anti-D patients persistently infected for 30 years and from contaminated immunoglobulin was generated.
Availability of this database allowed to analyze in detail the heterogeneity of the infectious source of the anti-D outbreak and to establish a potential time point of separation of the original HCV AD78 strain into the three closely related variants. This led to the establishment of the consensus sequences for 3 variants of the HCV AD78 strain. These sequences have been used in collaboration with the group of R.Bartenschlager for generation of the novel chimeric AD78/JFH1 viruses, which were capable to replicate in Huh7.5 hepatoma cells to high levels. Availability of such robust cell culture system represents an important step in the extension of the currently available JFH1-based systems of genotype 1. Especially promising are these new chimeric viruses for studies based on the materials from the HCV AD78 outbreak. In particular, this system is essential for elucidation of the biological significance of the mutations occurring in viral genome during both acute and persistent phases of infection.
Analysis of the heterogeneity of HCV AD78 sequences from anti-D patients has demonstrated a number of mutations both inside and outside of the CD8 T-cell epitopes and antiviral antibody binding sites and regions. Both reverse (toward the consensus 1b sequence) and forward (away from the infecting inoculum sequence) mutations were present with a predominance of the latter. A large number of mutations inside the CD8 epitopes were remarkably stable over 30 years of persistence. A least some of them were real escape mutations that, most probably, were preserved due to appearance of the compensatory mutations. The analysis of the frequency of mutations inside and outside of known and putative B- and T-cell epitopes within the E2 protein from AD78 isolates has shown higher rates of nonsynonymous amino acid substitutions inside the B-cell epitopes and, to a lesser extent inside the CD8 epitopes, than outside of these epitopes, suggesting that both humoral and CD8 T-cell immune responses contribute to the E2 evolution during the long-term HCV persistence. At that, the humoral response probably plays a leading role, while the contribution of the CD8 T-cell response seems to be less profound.
Application of a statistical approach allowed for identification of three putative novel CD8 T- cell epitopes in the core, E2 and NS2 proteins; one of them was confirmed by a functional assay in vitro. In several known CD8 epitopes an association between expression of different HLA class I alleles and presence of particular polymorphic sites was reproducibly found, suggesting immune pressure at the population level. Introduction of several escape mutations, identified in the core and E2 proteins, into the genome of the HCVcc constructs has impaired virus replication confirming that these were truly escape mutations. For the HLA-B51-specific mutation H153Q a reduction of the infectious titers depended very much on the origin of the sequence included into the HCVcc genome. This mutation caused relatively mild impairment of the infectivity of the AD78/JFH1 virus, while in the H77/JFH1 virus it led to a dramatic loss of infectivity exceeding 6 logs. These data indicate that the impact of the escape mutations on viral fitness to a significant extent might depend on the sequence context.
Generation of the HCV AD78 sequence database also allowed identifying a peculiar structural feature of some HCV strains - presence of additional 1 to 5 amino acid residues at the N- terminus of the E2 protein. Most of the AD78 isolates demonstrate the presence of such inserts. Both the HCVcc system and the HCVpp–based approach were used for analysis of the influence of the additional amino acid tracks on virus infectivity and replication. Presence of such inserts in the HCVpp bearing the AD78E1/E2 sequence or in the AD78/JFH1 virus has not significantly changed the infectivity of virus particles. In contrast, the insertion of the same additional stretches into the H77/JFH1 virus, which bears the structural genes of the H77 subtype 1a strain, caused a complete abolishment of infectivity. Analysis of the composition of these additional amino acid stretches has shown a high prevalence of small and flexible residues, which might facilitate the maintenance of the varied conformational states of the HVRI. That, in turn, could affect some functional characteristics of the E2 protein, including its antigenic properties and ability to recognize and bind to HCV cell receptors
Uncertainty in Reliability Evaluation: A Framework and Practical Case Studies
No full textIn modern society, human became dependent on sophisticated engineering systems. During the recent years, the major man-made disasters triggered more concerns on reliability and dependability of these systems. More public attention is paid to the presence of uncertainty and risk regarding reliability of engineering systems. This dissertation focuses on the identification of uncertainty and its effects, and on the determination of a framework of reliability evaluation under the presence of uncertainty.
This dissertation is based on the definitions and terminologies from renowned international standards and literature. The fundamentals and basic formulas are adequately explained. Existing works of similar topic have been compared and their advantages and limitations are mentioned. A novel framework is proposed to overcome the limitations of the existing works. The framework is designed to be compatible with the guidelines in risk management, and is composed of three approaches for different types of uncertainty. These approaches are: 1) approach for aleatory uncertainty, 2) approach for epistemic uncertainty, and 3) approach for early design stage. Practical case studies are demonstrated at the end of the chapter of each approach. The uncertainty information, which is obtained from this framework, can improve the confidence in the application of reliability studies to critical engineering systems.Unsicherheit in der Zuverlässigkeitsbewertung
Der technologische Fortschritt, das Zusammenfügen unterschiedlicher technologischer Bereiche und die steigende Komplexität von Systemen machen Zuverlässigkeits- und Verfügbarkeitsanalysen unverzichtbar und bereits in der Planungsphase zum integralen Bestandteil von Systemauslegung, um später finanzielle Schäden und hohe Strafzahlungen zu vermeiden. Bisher angewandte Verfahren zur Bestimmung von Zuverlässigkeits- und Verfügbarkeitskennwerten haben den Nachteil, dass Unsicherheiten nicht ausreichend berücksichtigt werden und deshalb auch keine Aussage über deren Einfluss auf die Kenngrößen gemacht werden können.
Die Dissertation basiert auf den Definitionen und Terminologien internationaler Normen und wissenschaftlicher Erkenntnisse. Divere Grundlagen und die grundlegenden Verfahren werden erklärt. Bestehende Werke zu Unsicherheiten werden verglichen und deren Vor- und Nachteile genannt. Ein neues Rahmenwerk wird vorgeschlagen, um die Beschränkungen der bestehenden Werke zu überwinden. Dieses orientiert sich an den Leitlinien des Risikomanagements und besteht aus drei Ansätzen zur Berücksichtigung verschiedener Arten von Unsicherheiten. Diese Ansätze sind: 1) Ansatz für aleatorische Unsicherheit, 2) Ansatz für epistemische Unsicherheit und 3) Ansatz von Unsicherheit in frühen Planungs- bzw. Entwicklungsphasen (Early Design Stage). Praktische Fallstudien zu Unsicherheiten werden am Ende der jeweiligen Kapitel aufgezeigt. Die aus den Analysen gewonnenen Informationen können zur Verbesserung des Vertrauens bei der Anwendung von Zuverlässigkeitsstudien dienen
Microbump development with a pitch of 6 µm using an ion beam etch process
No full textGegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Prozesses zur Herstellung von 3 μm Mikrobumps mit einem Pitch (Mitte-zu-Mitte-Abstand) von 6 μm. In diesem Zusammenhang wird erstmalig die Eignung des Ionenstrahlätzverfahrens für einen solchen Prozess untersucht.
Mikrobumps werden für kürzere Verdrahtungswege zur Kontaktierung von mehreren Mikrochips zueinander benötigt, wie es beispielsweise in der dreidimensionalen Integration, einer Aufbau- und Verbindungstechnik, angestrebt wird. Für kompaktere Aufbauten werden in den nächsten Jahren Mikrobump-Durchmesser von einem Mikrometer benötigt.
Bisherige Mikrobump-Verbindungen weisen Bumpbreiten von 4 μm bis 9 μm und Mitte-zu-Mitte-Abstände von minimal 10 μm auf. Eine triviale Verkleinerung der Bumpgeometrie ist dabei nicht, wie gewünscht, möglich. Als Hauptproblem in der Gesamtherstellung erweist sich dabei die Entfernung der Metalldünnschichten zwischen
den Mikrobumps, die wiederum für die galvanische Schichtabscheidung benötigt werden. Standardverfahren, basierend auf der nasschemischen Ätzung der Schichten, bewirken ungewollte Unterätzungen der Mikrobumps und somit Zuverlässigkeitsprobleme.
In der vorliegenden Arbeit werden erfolgreich Mikrobumps mit einem Durchmesser von 3 μm und einem Pitch von 6 μm hergestellt. Für die Entfernung der Metalldünnschichten wurde ein Ionenstrahlätzverfahren entwickelt, mit dem Unterätzungen der
Mikrobumps vermieden werden können.
Dabei ist zu beachten, dass sich das entfernte Material auf den umgebenden Mikrobumps ablagern kann. Um den Einfluss des Ionenstrahlätzverfahrens zu überprüfen, wurde die Verteilung dieser Ablagerungen mit energiedispersiven Röntgenspektroskopie untersucht. Weiterführend wurde ein mathematisches Modell entwickelt, das die Bestimmung der Winkelverteilung des geätzten Materials erlaubt. Die Winkelverteilung veranschaulicht, unter welchen Winkeln sich das geätzte Material nach der Entfernung aus dem Festkörper im Raum verteilt.
Unter Verwendung von Argon-Ionen und einer Ionenenergie von 300 eV wurde die Winkelverteilung für Kupfer bestimmt. Mit dieser Kenntnis lässt sich die Verteilung der Kupferatome auf den Mikrobumps für beliebige Mikrobump-Abstände vorherzusagen.
Der auf das Ätzen folgende Bondprozess erlaubt eine geeignete Justage mit Platziergenauigkeiten von unter 0,5 μm und die anschließende Verlötung der Mikrobumps.
Widerstandsmessungen an Viaketten und die Bestimmungen einzelner Kontaktwiderstände durch Vierpunktmessungen zeigen, dass ein elektrischer Kontakt zwischen den verbundenen Mikrobump-Paaren besteht. Das entwickelte Ionenstrahlätzverfahren ist somit für den Einsatz bei der Mikrobump-Herstellung geeignet.Microbumps serve as short interconnects between microchips in the 3D-integration, assembly and packaging technology. Currently microbumps have diameters of 4 μm to 9 μm and pitches (center-to-center spacing) of at least 10 μm. However, in the coming years the aim for more compact packages with increasing functionality will
make a microbump diameter of one micrometer indispensible.
At this point a simple miniaturization of the bump geometry is not possible due to drawbacks of the current production methods. The main problem in the entire production process is the removal of the thin metal films between the microbumps, which are left behind from the electroplating process. Standard procedures, based
on wet-chemical etching, cause unwanted undercuts in the microbumps and thus reliability problems.
The presented work deals with the development and evaluation of a novel ion beam etching method for the removal of the thin metal films in the production of 3 μm microbumps with a pitch of 6 μm.
It should be noted that using this novel method can cause the removed material to be deposited on the surrounding microbumps. Hence the deposit distribution was investigated by energy-dispersive X-ray spectroscopy. Furthermore, a mathematical model was developed allowing the determination of the angular distribution of the etched material. The angular distribution represents the angles under which the etched material distributes after being removed from the solid.
The angular distribution for copper was determined using argon ions and an ion energy of 300 eV. With the knowledge of the distribution of copper ions it is possible to predict their distribution on the microbumps for any desired microbump distance.
The bonding process following the etching process then allows for adequate adjustment with placement accuracies of less than 0.5 μm and the subsequent soldering of the microbumps.
Lastly, resistance measurements on daisy chains and the determination of single contact resistance with four-point measurements were performed for process evaluation.
The measurements show that an electrical contact between the connected microbump pairs exists. Thus the novel ion beam process is excellent for the production of microbumps with a miniaturized geometry for the 3D-integrated packages of the future
Eine epistemologische Kontext- und Rahmenanalyse zu den Bedingungen der visuellen Strukturierungskompetenz
No full textVerschiedene mathematikdidaktische Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass Veranschaulichungen nicht selbsterklärend sind. Wie eine abgeschlossene empirische Studie zur „visuellen Strukturierungsfähigkeit“ (Söbbeke 2005) aufzeigt, sollte die Fähigkeit, Strukturen in eine visuelle Darstellung hineinzudeuten, vielmehr explizit gefördert werden. Was aber sind die Bedingungen der visuellen Strukturierungskompetenz?
Diese qualitative Studie zielt darauf ab, Deutungsprozesse von Anschauungsmitteln umfassender zu verstehen. Es wird mikroanalytisch untersucht, innerhalb welcher Rahmung (Goffman 1977) Grundschulkinder ihre ganz eigenen Interpretationen der Materialien „Hunderterpunktefeld“ und „Zahlenstrahl“ vornehmen. Dazu wurden 21 klinische Prä- und Post-Interviews mit Kindern der dritten Klasse transkribiert. Alle 21 Kinder haben zwischen Prä- und Post-Interview an einer kleinen Interventionseinheit zur Förderung der visuellen Strukturierungskompetenz teilgenommen. Anschließend wurden die Interviews vergleichend interpretativ analysiert, um individuell eingenommene Rahmungen herauszuarbeiten. Die Rahmenanalyse zielte dabei explizit auf eine Rekonstruktion der epistemologischen Struktur des mathematischen Wissens, die sich in den Deutungen der Kinder widerspiegelt.
Als Ergebnis dieser Analysen werden die individuellen Rahmungen im Konstrukt „Rahmungsbasierte Deutungskompetenz“ in „dingbezogene“ und „systembezogene“ epistemologische Rahmentypen kategorisiert. Als wichtiger, überindividueller Aspekt erweist sich zudem der Umgang mit kulturell erlernten Regeln und Konventionen. Im Vergleich der Prä- und Post-Interviews zeigt sich außerdem, dass die teilnehmenden Kinder ihre Rahmungen modulieren.
Das Promotionsprojekt wurde vom BMBF im Rahmenprogramm „Empirische Bildungsforschung“ im Zeitraum 01.02.2010 - 31.03.2013 gefördert (http://www.empirische-bildungsforschung-bmbf.de/de/1669.php)